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

Чеглаков, Владимир Викторович

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………..5
Глава 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ АВТОМАТНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ И ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ СТРУКТУРЫ СЛИТКА ЗА СЧЕТ ГОМОГЕНИЗАЦИИ МОНОТЕКТИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА………………12
1.1. Автоматные алюминиевые сплавы и промышленный опыт их получения…..12
1.2. Строение, охлаждение и затвердевание монотектических расплавов………..18
1.3. Роль поверхностных явлений в формировании эвтектических и монотектических структур……………………………………………………………23
1.4. Внепечное перемешивание расплава с целью усреднения химического состава и эффективного использования лигатур и модификаторов при обработке алюминиевых сплавов………………………………………………………………25
1.4.1. Особенности устройств контактного перемешивания расплава и способы реализации технологий……………………………………………………………….25
1.4.2. Особенности устройств электромагнитного перемешивания электропроводных расплавов в транспортных ковшах…………………………….29
1.4.3. МГД-технологии для приготовления свинецсодержащих алюминиевых сплавов и особенности массопереноса в процессе перемешивания расплава…….32
1.5. Выводы по главе…………………………………………………………………..35
Глава 2. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ……………………………….37
2.1. Исходные материалы для приготовления сплавов с несмешивающимися компонентами и определение температурно-концентрационных границ областей несмешиваемости……………………………………………………………………..37
2.2. Технология и оборудование для получения гранульной и брикетированной лигатур системы Al-Pb………………………………………………………………..39
2.3. Технология, оснастка и оборудование для изготовления опытных образцов автоматных сплавов и исследование их поверхностных свойств………………….42
2.4. Устройство для приготовления автоматных сплавов в транспортном ковше с использованием брикетированной лигатуры и электромагнитного перемешивания………………………………………………………………………..44
2.5. Методики определения химического состава и микроструктуры сплавов…..46
2.6. Оборудование и методика рентгенофазового исследования………………….48
Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ АВТОМАТНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ПРИМЕНИЕМ ЛИТЫХ ГРАНУЛЬНЫХ ЛИГАТУР СИСТЕМЫ AL-PB………………………………………………………..49
3.1. Обоснование состава лигатурного сплава системы Al-Pb и исследование его макроструктуры при литье в металлическую форму и в воду………………………49
3.2. Гранулирование лигатурных сплавов системы Al-Pb и моделирование тепловых процессов при литье гранул на экспериментальной установке…………51
3.3. Исследование структуры гранул с применением световой и электронной микроскопии…………………………………………………………………………..59
3.4. Производственная апробация способа получения автоматного алюминиевого сплава марки 2007 с применением гранульной лигатуры системы Al-Pb…………61
3.5. Исследование механизма распределения включений свинца между жидкой и твердой фазами при охлаждении и кристаллизации слитка из автоматного сплава, полученного методом полунепрерывного литья……………………………………64
3.6. Выводы по главе………………………………………………………………….68
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ АВТОМАТНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С МЕЛКОДИСПЕРСНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ СВИНЦА В ТРАНСПОРТНОМ КОВШЕ…………………………………………………………………………………70
4.1. Микрогетерогенность и особенности формирования структуры слитка из свинецсодержащих алюминиевых сплавов…………………………………………70
4.2. Влияние поверхностных свойств расплавов системы Al-Cu-Mg-Pb на разрушение их микрогетерогенности и получение слитка с высокодисперсными включениями свинца…………………………………………………………………72

4
4.3. Применение численно-математических моделей для анализа электромагнитного и гидродинамического полей системы «ковш-эмп» в процессе обработки расплава на основе алюминия в транспортном ковше…………………79
4.4. Тепломассоперенос в алюминиевом расплаве при электромагнитном перемешивании лигатуры свинца в транспортном ковше…………………………90
4.5. Опытно-промышленные испытания технологии получения автоматных алюминиевых сплавов в транспортном ковше с применением электромагнитного перемешивания расплава…………………………………………………………….101
4.6. Выводы по главе…………………………………………………………………109 ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………….110
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………………113
ПРИЛОЖЕНИЕ 1……………………………………………………………………121
ПРИЛОЖЕНИЕ 2……………………………………………………………………123

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.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Татьяна М. кандидат наук
    5 (285 отзывов)
    Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях
    Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях
    #Кандидатские #Магистерские
    495 Выполненных работ
    Татьяна П.
    4.2 (6 отзывов)
    Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки ... Читать все
    Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки в одном из крупнейших университетов Германии.
    #Кандидатские #Магистерские
    9 Выполненных работ
    Александра С.
    5 (91 отзыв)
    Красный диплом референта-аналитика информационных ресурсов, 8 лет преподавания. Опыт написания работ вплоть до докторских диссертаций. Отдельно специализируюсь на повы... Читать все
    Красный диплом референта-аналитика информационных ресурсов, 8 лет преподавания. Опыт написания работ вплоть до докторских диссертаций. Отдельно специализируюсь на повышении уникальности текста и оформлении библиографических ссылок по ГОСТу.
    #Кандидатские #Магистерские
    132 Выполненных работы
    Елена С. Таганрогский институт управления и экономики Таганрогский...
    4.4 (93 отзыва)
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на напис... Читать все
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на написании курсовых и дипломных работ, а также диссертационных исследований.
    #Кандидатские #Магистерские
    158 Выполненных работ
    Екатерина П. студент
    5 (18 отзывов)
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно... Читать все
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно занимаюсь английским языком, уровень владения - Upper-Intermediate.
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Евгений А. доктор, профессор
    5 (154 отзыва)
    Более 40 лет занимаюсь преподавательской деятельностью. Специалист в области философии, логики и социальной работы. Кандидатская диссертация - по логике, докторская - ... Читать все
    Более 40 лет занимаюсь преподавательской деятельностью. Специалист в области философии, логики и социальной работы. Кандидатская диссертация - по логике, докторская - по социальной работе.
    #Кандидатские #Магистерские
    260 Выполненных работ
    Родион М. БГУ, выпускник
    4.6 (71 отзыв)
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    #Кандидатские #Магистерские
    108 Выполненных работ
    Евгения Р.
    5 (188 отзывов)
    Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и со... Читать все
    Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и создаю красивые презентации. Сопровождаю работы до сдачи, на связи 24/7 ?
    #Кандидатские #Магистерские
    359 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету