Разработка технологических режимов непрерывного nпрессования и волочения полученной nв электромагнитном кристаллизаторе заготовки из сплава 01417 для производства проволоки с заданными физико-механическими свойствами

Алюминиевая промышленность пo объёмам производства занимает ведущее место среди отраслей цветной металлургии [1], а производствo алюминия с каждым годом непрерывно уве- личивается. Так, за последние 10 лет мировое потребление алюминия увеличилось на 25 – 30 %, а в 2020 году – еще на 7 – 8 % в сравнении с периодом 2017-2018 г., в связи с ростом потребле- ния алюминия в крупнейших экономиках мира: Китае, Германии и США. Но при этом, дефицит алюминия на рынке по-прежнему сохраняется, и равняется 1,7 млн. тонн в 2018 году и 2,3 млн. тонн в 2019 году. Рост потребления алюминия [2] поддержан растущей экономикой Китайской народной республики, участие которой в общем мировом объеме потребления составляет более 50 %. Согласно прогнозам, производство алюминия и потребность потребителей в нем будет расти. (рисунок В1).
Рисунок В1 – Баланс производства и потребления алюминия в мире
На следующие 5 лет ожидается увеличение мирового потребления алюминия на 4–5 % ежегодно, что повлечет за собой увеличение дефицита первичного алюминия. Наибольшее ко- личество алюминиевой продукции востребовано для нужд транспортной и строительной отрас- лей промышленности: в 2019 году эти значения составили 28 % и 27 %, а для энергетики – 14%.
Научно-технический прогресс, обусловленный так же необходимой заменой авиакосми- ческой техники, летательных аппаратов и спутниковых систем Советского производства, сфор- мировал в России необходимость разработки современных материалов и новых продуктов, к которым можно отнести и проволоку из алюминиевых сплавов специального назначения. Со- гласно оценкам экспертов, а также предприятий кабельной промышленности, спрос на прово- локу из алюминиевых сплавов различного назначения на сегодняший день составляет около 8 тыс. тонн в год. Темпы роста потребления алюминия, а также масштабное развитие предприя-

5
тий ВПК в нашей стране, в ближайшей перспективе увеличат потребность в алюминиевой про- волоке до 10-12 тыс. тонн в год.
Алюминиевая проволока применяется для изготовления продукции электротехнического назначения следующих видов [3, 4]:
 электротранспортные тросы и кабели;
 электропроводники для авиа- и космического транспорта;
 промышленные силовые кабели;
 наземные воздушные кабели токопроводящих сетей.
Благодаря уникальным технико-эксплуатационным характеристикам, проволока из алю- миниевых сплавов широко применяется в электротехнической промышленности. Важно отме- тить, что по массе алюминий в 3 раза легче массы меди, что существенно облегчает конструк- ции линий электропередач.
В России проволока для нужд электротехнической промышленности производится из алюминия марок А5Е, А7Е и сплава АВЕ. Сравнительная удельная прочность данной проволо- ки имеет низкие значения. При принятом оптимальном расстоянии между опорами линий элек- тропередач велика вероятность разрыва проводов под собственным весом. Причиной этого яв- ляется невозможность линии выдерживать на себе вес изоляционного покрытия. Так как рос- сийские линии электропередач выполнены неизолированными проводами, это существенно по- вышает риск эксплуатации, в том числе и на линиях среднего и низкого напряжения, а именно велика вероятность обрыва, климатических воздействий на линии электропередач и др.
Таким образом, модернизация отечественных предприятий, применение новых техноло- гий литья и обработки алюминиевых сплавов являются основными направлениями развития производства алюминиевой проволоки.
Необходимо отметить возрастающую потребность в электротехнической промышленно- сти в проволоке, применяющейся в бортовых проводах современных летательных аппаратов. Для этих нужд возможно использование жаропрочных сплавов алюминия с редкоземельными металлами (РЗМ) [4,5], применяющихся для изготовления проволоки, эксплуатирующейся при температуре + 250 °С.
В середине прошлого столетия в нашей стране началось развитие алюминиевой про- мышленности. Создание новых алюминиевых заводов позволило увеличить производство алю- миния и сплавов на его основе [6-8]. Одновременно на базе Всесоюзного института легких сплавов (г. Москва) проводились работы по освоению гранульной технологии получения про- волоки, в том числе и из сплава 01417. В работах В.И. Добаткина с соавторами [6, 7] показано, что процесс гранулирования является единственным способом достижения высоких скоростей охлаждения (до 106 К/c) при кристаллизации сплавов на основе алюминия. При применении ме-

6
тодов быстрой и сверхбыстрой кристаллизации при получении многокомпонентных сплавов происходит резкое диспергирование структурных составляющих, что приводит к образованию пересыщенных твердых растворов. Это позволило легировать сплавы металлами, ранее не при- меняющимися в деформируемых сплавах, при этом, важно отметить, с образованием метаста- бильных фаз. Деформационной обработке гранулированных сплавов посвящены работы [9, 10], где установлено, что образцы из алюминиевых сплавов, изготовленные по гранульной техноло- гии, обладают уникальными механическими свойствами. Существующие в мире способы быст- рой кристаллизации сводятся к диспергированию расплава, его охлаждению и получению гра- нул размером от 5 до 0,5 мм. Недостатком этих способов является большое количество техно- логических переделов. Причиной того, что данный способ не нашел широкого применения в промышленности является большое количество технологических операций по сушке и очистке гранул, их компактированию в заготовки для дальнейшей пластической деформации. Большое количество технологических операций, в сочетании с низкой производительностью оборудова- ния, приводит к малому выходу годной продукции. Решением указанных проблем может слу- жить переход к непрерывному литью слитков малого диаметра в электромагнитном поле, ока- зывающим комплексное воздействие на расплав при скоростях охлаждения 103 – 104 oС/с, что позволяет сохранить уровень свойств, достигаемых гранулированием и избавиться от недостат- ков, присущих гранульным технологиям.
Благодаря исследованиям таких известных ученых, как И.Л. Перлин, А.И. Целиков, М.З. Ерманок, В.П. Северденко, Г.С. Гун, М.С. Гильденгорн, В.Л. Бережной, А.В. Зиновьев, В.Г. Шеркунов, А.И. Рудской, Л. Х. Райтбарг, Р.З. Валиев, В.Н. Щерба, Г.И. Рааб, Ю.А. Горбунов, Ю.Н. Логинов и др. [11-21] разработаны научные основы процессов и методов обработки металлов давлением алюминиевых сплавов. По направлению прокатки и прессова- ния, упомянутыми исследователями внесен существенный вклад, послуживший необходимой основой для развития теории и технологий интенсивной пластической деформации. Нельзя также не отметить научные труды ученых Красноярской научной школы В.З. Жилкина, Ф.С. Гилевича, В.Н. Корнилова, Н.Н. Довженко, Ю.В. Горохова, С.Б. Сидельникова, С.В. Беля- ева, Н.Н. Загирова, Р.И. Галиева, А.А. Катаревой, Е.С. Лопатиной, В.М. Беспалова, Р.Е. Соко- лова, Д.С. Ворошилова и др., посвященные изучению непрерывных методов прессования алю- миниевых сплавов [22-26]. Эти методы в совокупности с применением непрерывного литья в электромагнитный кристаллизатор позволяют существенно снизить трудоемкость и энергоза- траты производства длинномерных деформированных полуфабрикатов небольшого поперечно- го сечения из сплавов цветных металлов.
Нельзя не отметить работы зарубежных ученых, посвященные тематике исследований, которые ведутся в США, Японии, Китае и других странах [27-34].

7
Однако вопросы получения проволоки диаметром до 0,5 мм из высоколегированных сплавов системы Al-РЗМ до сих пор не решены, так как ресурс пластических и прочностных свойств таких сплавов ограничен, что обуславливает необходимость проведения дополнитель- ных комплексных исследований по данной тематике. Что подтверждает необходимость разра- ботки новых технологий обработки металлов давлением с применением современных методов литья в электромагнитный кристаллизатор и методов непрерывного прессования для получения тонкой проволоки из сплава 01417 с содержанием редкоземельных металлов до 9 %.
Актуальность исследований подтверждена тем, что они выполнены в рамках проекта по Постановлению Правительства РФ No 218 «O мерах государственной поддержки развития ко- операции российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства» в соответствии с договором Минобрнауки России No13.G25.31.0083 по созданию высокотехнологичного производства по теме «Разработка технологии получения алюминиевых сплавов с редкоземельными, переход- ными металлами и высокоэффективного оборудования для производства электротехнической катанки», при финансовой поддержке РФФИ, Правительства Красноярского края и ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики» в рамках научного проекта No 18-48-242021 «Разработка фунда- ментальных основ получения деформированных полуфабрикатов электротехнического назна- чения из высоколегированных сплавов системы Al-РЗМ с применением методов совмещенной обработки и исследование их реологических свойств» (2019-2020), а также в рамках государ- ственного задания на науку ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (СФУ), номер проекта FSRZ-2020-0013.
Целью исследований является разработка комплекса технических и технологических решений для получения проволоки диаметром 0,5 мм из сплава 01417 с требуемым уровнем фи- зико-механических и эксплуатационных свойств с применением непрерывных методов литья, прессования и волочения.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
 проведение анализа свойств проволоки из сплава 01417, полученной по гранульной технологии, и с использованием метода непрерывного литья и прокатки;
 определение реологических свойств литых заготовок из сплава 01417 и компьютерное моделирование процесса совмещенной прокатки-прессования прутка с использованием заготовки круглого сечения из этого сплава;
 разработка методики определения реализуемости и силовых параметров процесса совмещенной прокатки-прессования в ящичном калибре заготовки круглого поперечного сечения из сплава 01417, полученной в электромагнитном кристаллизаторе;

8
 проведение экспериментальных исследований деформационных и силовых параметров на установках непрерывного прессования прутков из сплава 01417;
 разработка маршрутов волочения проволоки и режимов отжига при использовании прутков, изготовленных на установках непрерывного прессования;
 проведение исследований структуры и свойств прутков и проволоки из сплава 01417, полученных с применением методов непрерывного литья в электромагнитный кристаллизатор, непрерывного прессования и волочения, и установление закономерностей их изменения от параметров деформационной обработки;
 разработка новых технологий совмещенной обработки и устройств для ее реализации с целью получения проволоки из сплава 01417 с заданным уровнем физико-механических свойств и апробация результатов исследований в промышленных условиях.
Научная новизна полученных результатов исследований:
1. Разработана и экспериментально проверена методика определения реализуемости процесса и расчета силовых затрат при совмещенной прокатке-прессовании заготовки круглого поперечно- го сечения в закрытом ящичном калибре, которая позволила выбрать конструктивные парамет- ры инструмента и мощность оборудования для реализации непрерывного прессования металла в лабораторных и промышленных условиях.
2. Получены новые данные по реологическим свойствам непрерывнолитых заготовок круглого поперечного сечения из сплава 01417, изготовленных с помощью электромагнитного кристал- лизатора, и установлены зависимости сопротивления металла деформации этого сплава от тем- пературы, скорости и степени деформации в широком диапазоне их изменения.
3. Путем экспериментальных исследований выявлены закономерности формирования структу- ры, механических, электрических свойств и термостойкости длинномерных полуфабрикатов на всех технологических этапах изготовления проволоки малых диаметров из сплава 01417, вклю- чая литье в ЭМК, непрерывное прессование и волочение.
4. На основании результатов аналитических исследований и компьютерного моделирования научно обоснованы технологические параметры непрерывного прессования и волочения, что позволило с их использованием впервые получить опытно-промышленные партии проволоки диаметром 0,5 мм из сплава 01417 с требуемым уровнем физико-механических свойств.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Создана компьютерная модель процесса совмещенной прокатки-прессования заготовки круг- лого сечения в закрытом ящичном калибре, позволяющая рассчитать формоизменение, темпе- ратуру, скорость и силовые параметры при различных условиях обработки.

9
2. Определены температурно-скоростные, деформационные параметры и разработана техноло- гия для производства проволоки диаметром 0,5 мм из сплава 01417, включающая следующие переделы: получение непрерывнолитых заготовок круглого поперечного сечения с помощью ЭМК диаметром 12-18 мм; изготовление деформированных полуфабрикатов в виде прутков диаметром 5-9 мм с использованием методов Конформ или СПП; получение проволоки диамет- ром 0,5 мм волочением с требуемым уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств.
3. Для реализации данной технологии разработаны конструкции установок для непрерывного литья, прокатки и прессования, одна из которых имеет в своем составе электромагнитный кри- сталлизатор и деформирующий валковый узел с закрытым ящичным калибром, у которого ши- рина канавки валка с ручьем больше диаметра заготовки на 5-15%, а гребень валка с выступом имеет высоту, рассчитанную из условия равенства площадей заготовки и калибра.
4. По предложенной технологии в промышленных условиях на предприятиях СОАО «Гомель- кабель» (г. Гомель), ООО «Завод современных материалов» и ООО «Альянс 2008» (г. Красно- ярск) по разным режимам с использованием установок непрерывного прессования Конформ и СПП изготовлены опытные партии проволоки из сплава 01417 для бортовых проводов авиаци- онного назначения, свойства которой соответствуют требованиям ТУ 1-809-1038-2018, что под- тверждено протоколами испытаний физико-механических свойств и термостойкости, выпол- ненных АО «ОКБ Кабельной промышленности» (г. Москва) и ООО «ИК ЦТО» (г. Новоси- бирск).
5. Результаты исследований внедрены в учебный процесс СФУ и используются для подготовки магистров по направлению 22.04.02 Металлургия и аспирантов по специальности 05.16.05 Об- работка металлов давлением.
Исследования выполнены с использованием основных законов обработки металлов дав- лением, экспериментальных методов определения параметров процесса деформации металла и свойств методами испытаний на растяжение и кручение, металлографических методов исследо- ваний структуры металла и метода конечных элементов в программном комплексе DEFORM- 3D.
На защиту выносятся:
 результаты экспериментальных исследований реологических свойств непрерывнолитых заготовок, полученных с помощью ЭМК, и физико-механических свойств длинномерных литых и деформированных полуфабрикатов из сплава 01417;
 технические и технологические решения для получения проволоки диаметром 0,5 мм из сплава 01417 с применением методов литья в ЭМК и непрерывного прессования с требуемым уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств;

10
 результаты компьютерного моделирования и экспериментально-аналитической оценки параметров процесса совмещенной прокатки-прессовании заготовки круглого сечения в закрытом ящичном калибре для исследуемого сплава.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается применением научных методов исследований на аттестованном и поверенном оборудовании и известных программ- ных комплексов для компьютерного моделирования, а также данными практической реализа- ции опытно-промышленного опробования разработанной технологии.
Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на международ- ных конференциях и конгрессах, таких как XV International scientific conference «New technolo- gies and achievements in metallurgy, materials engineering and production engineering» (г. Ченсто- хова, Польша, 2014 г.); «Цветные металлы и минералы» (г. Красноярск, 2017, 2019 г.); Magnito- gorsk Rolling Practice 2019: proceedings of the 4th Youth Scientific and Practical Conference (г. Магнитогорск, 2019 г.); Всероссийских научно-технических конференциях СФУ (2013, 2014 гг.).
Результаты диссертационной работы отражены в 12 печатных трудах, из них в 3 статьях из перечня журналов, рекомендуемых ВАК, 3 статьях в изданиях, входящих в базу цитирования Scopus, и 1 патенте на полезную модель.
Настоящая работа является продолжением комплекса научно-исследовательских работ, выполняемых на кафедре обработки металлов давлением института цветных металлов и материаловедения (ИЦМиМ) ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (СФУ). Включенные в диссертацию и выносимые на защиту результаты исследований представляют собой часть общих результатов научно-исследовательских работ по рассматриваемой проблеме, и выполнены непосредственно автором или в соавторстве.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору С.В. Беляеву за помощь при работе над диссертацией.
Работа выполнена при научной консультации канд. техн. наук, доцента Д.С. Ворошилова.