Теоретические и технологические основы ресурсосберегающих технологий производства высококачественных отливок из алюминиевых сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, доктор технических наук Белов, Владимир Дмитриевич

• Белов, Владимир Дмитриевич
• доктор технических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор технических наук Белов, Владимир Дмитриевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПЛАВКИ И ЗАТВЕРДЕВАНИЯ СИЛУМИНОВ ( ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ )

1.1. Особенности переплава стружки алюминиевых сплавов

1.2. Окисление алюминия и сплавов на его основе

1.3. Рафинирование алюминиевых сплавов газами

1.3.1. Рафинирование алюминиевых расплавов от водорода и

неметаллических включений при помощи инертных газов

1.3.2. Эффективность рафинирования алюминиевых сплавов

при различных способах введения газа

1.3.3. Комбинированные способы рафинирования алюминиевых расплавов

1.4.1. Заэвтектические поршневые силумины

1.4 Л. 1. Характеристика условий работы поршней и основные требования

к поршневым сплавам

1.4.1.2. Состав и свойства поршневых заэвтектических силуминов

1.4.2. Повышение механических и эксплуатационных свойств

36

поршневых заэвтектических силуминов

1.4.2.1. Рафинирование поршневых заэвтектических силуминов ,

1.4.22. Модифицирование заэвтектических силуминов

1.4.2.3. Мнкролегирование силуминов

1.4.3. Влияние примесей на структуру и свойства заэвтектических силуминов

1.4.3.1. Примеси в силуминах

1.4.3.2. Влияние примесей на структуру и свойства заэвтектических силуминов ..

1.4.4. О распределении кристаллов первичного кремния

в отливках из заэвтектического силумина

заэвтектических силуминов

2. ВЛИЯНИЕ ПЕЧНОЙ АТМОСФЕРЫ И РЯДА ПРИМЕСЕЙ В МЕТАЛЛЕ

НА ПРОЦЕСС ОКИСЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОЙ СТРУЖКИ

2.1. Влияние печной атмосферы и ряда примесей в металле на процесс окисления алюминиевой стружки

2.2. Влияние печной атмосферы на процесс окисления стружки силумина

2.3. Разработка технологии переплава стружки алюминиевых сплавов

3. РАФИНИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ РАСПЛАВОВ ПРОДУВКОЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ СТРУЕЙ ИНЕРТНОГО ГАЗА

3.1. Строение газового факела в жидкой среде

3.2. Эффективность диспергирования высокоскоростной струи газа

в жидкости

3.3. Оптимизация технологических параметров продувки алюминиевых расплавов высокоскоростной струей инертного газа

3.4. Разработка конструкции фурмы и дегазирующей установки для высокоскоростной продувки алюминиевых расплавов

3.5. Некоторые аспекты внепечной обработки алюминиевых расплавов

3.5.1. Повышение эффективности очистки от водорода при внепечной

Я А

обработке алюминиевых расплавов

3.5.2. Повышение эффективности очистки от неметаллических включений

при внепечной обработке алюминиевых расплавов

3.5.3. Технология внепечной обработки алюминиевых расплавов

3.6. Промышленное опробование технологии внепечной обработки алюминиевых расплавов с использованием продувки высокоскоростной

104

струей инертного газа

3.6.1. Анализ производства алюминиевых сплавов

3.6.2. Опробование технологии внепечной обработки алюминиевых

расплавов в условиях МЗАС

3.6.3. Опробование технологии внепечной обработки алюминиевых расплавов в условиях завода "Нжмаш"

4. НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИЛУМИНОВ

4.1. Закономерности ликвации КПК при кристаллизации

116

заэвтектических силуминов

4.1.1. Влияние изменения плотности кремния в интервале

температур 620-577 °С на скорость всплываиия КПК

4.1.2. Влияние изменения плотности расплава в интервале

температур 620-577 °С на скорость всшшвання КПК

4.1.3. Влияние изменения вязкости расплава в интервале

температур 620-577 °С на скорость всплывания КПК

4.1.4. Влияние изменения размера КПК в интервале температур 620-577 °С

121

на скорость их всплывания

в расплаве силумина А1-1 б%$1

42. Влияние примесей на формирование микроструктуры

Р)

бинарных силуминов

4.3. Влияние водорода на процесс кристаллизации

144

и микроструктуру заэвтектических силуминов

4.4. Влияние наводорожнвания на процесс кристаллизации и микроструктуру заэвтектических силуминов, модифицированных фосфором

4.5. Влияние кальция на процесс кристаллизации и

микроструктуру заэвтектических силуминов

4.5.1. Влияние кальция на процесс кристаллизации и микроструктуру

бинарных заэвтектических силуминов

4.5.2. Влияние кальция на процесс кристаллизации

176

и микроструктуру поршневых заэвтектических силуминов

5. ВЛИЯНИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ И ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ ПРЕПАРАТОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ

СИЛУМИНОВ

5.1. Влияние РЗМ на процесс кристаллизации, микроструктуру

и свойства заэвтектических силуминов

5.1.1 Влияние РЗМ на процесс кристаллизации и микроструктуру

заэвтектических силуминов

5.12. Влияние РЗМ на микротвердость фазовых

составляющих заэвтектических силуминов

5.1.3. Влияние РЗМ на твердость поршневого заэвтектнческого силумина

при комнатной и повышенной температурах

5.1.4. Влияние РЗМ на коэффициент линейного расширения

196

заэвтектических силуминов

52. Влияние совмещенной обработки РЗМ и фосфорсодержащими препаратами на процесс кристаллизации, микроструктуру и свойства

ш

поршневых заэвтектических силуминов

52.1. Разработка модификатора для заэвтектических силуминов

52.1 Л Влияние феррофосфора на микроструктуру бинарного

205

заэвтектического силумина

5.2,2 Оптимизация технологических параметров процесса модифицирования

поршневых заэвтектических силуминов

5,2.3. Разработка составов модифицирующих препаратов

для заэвтектических силуминов

52.4. Влияние состава модифицирующих препаратов на микроструктуру

и свойства заэвтектических силуминов

52.5. Длительность сохранения эффекта модифицирования заэвтектических силуминов при обработке модифицирующими препаратами

52.6. Влияние совмещенной обработки модифицирующими препаратами и РЗМ на процесс кристаллизации и микроструктуру поршневого

207

заэвтектического силумина

5.2.7. Влияние совмещенной обработки заэвтектических силуминов модифицирующими препаратами и РЗМ на микротвердость кристаллов

2

первичного кремния и а-твердого раствора

5.2.8. Влияние совмещенной обработки модифицирующими препаратами и

РЗМ на механические и технологические свойства заэвтектических силуминов

5.2.9. Влияние совмещенной обработки расплавов модифицирующими препаратами и РЗМ на коэффициент линейного расширения поршневых заэвтектических силуминов

6. РАЗРАБОТКА И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СИЛУМИНОВЫХ РАСПЛАВОВ ИЗ НИЗКОСОРТНОЙ ШИХТЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЛЕКСНОЙ

ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ

6.1. Технология совмещенного рафинирования, модифицирования и микролегирования заэвтектических силуминов

6.1 Л. Результаты опытно-промышленного опробования технологии внепечного совмещенного рафинирования, модифицирования

и мшфолегирования сплава АК21 М2,5Н2,5

6.1.2. Результаты опытно-промышленного опробования технологии совмещенного рафинирования, модифицирования и микролегирования

сплава КС 740

62. Технология приготовления доэвтектических и эвтектического силуминов из низкосортной шихты с применением комплексной внепечной обработки

расплава

62Л,Разработка технологии приготовления доэвтектического силумина из низкосортной шихты с применением комплексной внепечной обработки расплава

6.2.3. Опытно-промышленное опробование технологии приготовления эвтектического силумина из низкосортной шихты с применением

комплексной внепечной обработки расплава в условиях АОЗТ "Панда"

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические и технологические основы ресурсосберегающих технологий производства высококачественных отливок из алюминиевых сплавов»

ВВЕДЕНИЕ

В условиях складывающихся рыночных отношений и экономического кризиса в России на машиностроительных предприятиях страны стали уделять все больше внимания конкурентоспособности выпускаемой продукции, которая обеспечивается постоянным повышением ее качества и снижением затрат на производство.

Следует отметить, что в настоящее время решение этих задач усложняется разрывом связей кооперированных поставок между заводами, отсутствием сбалансированной политики в области ценообразования и целым рядом других причин. В результате этого на машиностроительных предприятиях стали осваивать несвойственные им ранее технологические процессы, например, переработку образующихся отходов алюминия и сплавов на его основе с целью повторного их использования.

В связи с этим все более актуальной становится разработка экологически чистых технологий плавки и литья сплавов на основе алюминия, позволяющих организовывать на машиностроительных заводах замкнутый технологический цикл использования металла. При этом в шихту должны включаться не только кусковые компактные отходы, но и весь объем стружки, образующейся при механической обработке отливок.

Как известно, стружка является низкосортной шихтой, склонной к интенсивному окислению. Она снижает качество получаемого расплава, обогащая его водородом и неметаллическими включениями. Поэтому требуется разработка специальной технологии приготовления алюминиевых расплавов с применением стружки, которая позволяет использовать их для изготовления отливок любой сложности и назначения и адаптирована к условиям машиностроительных предприятий.

Для повышения качества расплава, приготовленного из низкосортной шихты, требуется его глубокая очистка от водорода и неметаллических включений. Поэтому необходимо разработать эффективную экологически чистую технологию рафинирования расплавов на основе алюминия.

Как известно, качество отливок и их эксплуатационные свойства определяются не только чистотой сплава (содержанием водорода и неметаллических включений), но и его структурой. Для заэвтектичееких силуминов, из которых изготавливают поршни для тяжелойагруженных двигателей внутреннего сгорания, важным

показателем качества являются размер кристаллов первичного кремния и равномерность их распределения в отливке.

Для модифицирования микроструктуры заэвтектических силуминов применяются различные фосфорсодержащие соединения, однако в литературе нет рекомендаций по комплексной обработке этих сплавов, позволяющей одновременно решать вопросы улучшения структуры, очистки расплава и снижения потерь металла при использовании низкосортной шихты. Нет также указаний по оптимальному микролегированию заэвтектических силуминов, обеспечивающему повышение их эксплуатационных свойств (коэффициента линейного расширения, твердости при повышенных температурах и др.)

В свете изложенного, в данной работе рассмотрены вопросы влияния печной атмосферы на процесс окисления алюминиевой стружки; разработки технологии рафинирования силуминовых расплавов продувкой высокоскоростной струей инертного газа и конструкции дегазирующей установки для ее осуществления; выявления причин ликвации кристаллов первичного кремния при затвердевании заэвтектических силуминов и влияния на процесс их кристаллизации РЗМ, а также примесей водорода и кальция. Кроме того, исследован вопрос снижения коэффициента линейного расширения заэвтектических силуминов при микролегировании их РЗМ и модифицировании фосфором.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПЛАВКИ И ЗАТВЕРДЕВАНИЯ СИЛУМИНОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ)

1 Л. Особенности переплава стружки алюминиевых сплавов

Как известно, на машиностроительных заводах при изготовлении деталей из отливок и других заготовок из алюминиевых сплавов образуется большое количество стружки. Так, в зависимости от способа литья масса стружки может достигать 50% от массы отливки. В рамках машиностроительной отрасли количество образующейся в процессе производства стружки составляет сотни тысяч тонн в год. Учитывая также все возрастающую дефицитность и дороговизну первичных материалов, во всем мире все больше внимания уделяется вопросам переработки стружки и снижения потерь металла при те переплаве. Повысить эффективность переработки стружки пытаются как путем совершенствования процесса ее подготовки к плавке, так и процесса самой плавки, а также разработкой специализированного оборудования.

Учитывая металлургическую направленность настоящей работы, ниже рассмотрим вопросы, связанные только с технологическим процессом переплава стружки алюминиевых сплавов.

Рассматривая алюминиевую стружку как шихту, можно выделить следующие ее особенности. С одной стороны - это сыпучий материал, достаточно удобный для загрузки в печь, с другой стороны, стружка имеет большую удельную поверхность и, как следствие, значительную поверхность контакта с атмосферой печи, в результате чего предрасположена к интенсивному окислению. Поэтому при переплаве необходимо принимать меры для снижения скорости окисления стружки.

С целью уменьшения потерь на окисление в работе /1/ предложено загружать стружку под зеркало жидкого металла посредством наклонных каналов в стенке печи, по которым ее проталкивали вручную или с применением шнекового привода.

В США получила широкое распространение отражательная печь с открытой выносной ванной (камерой) - "печь с открытым колодцем" /2/. Выносная камера не отапливается. Циркуляция жидкого металла между открытым колодцем и зазфытой ванной печи создается с помощью установленного в выносной камере гидронасоса. Одним из основных преимуществ этих печей по сравнению с обычными отражательными печами является меньший угар металла. Это обусловлено

отсутствием контакта стружки и жидкого металла с атмосферой печи, так как в закрытой камере печи расплав в процессе всего периода плавки находится под слоем похровно-рафинирующего флюса. В открытом колод це стружка контактирует только с атмосферой цеха. Угар металла при плавке стружки в печах такого типа обычно не превышает 4-5%. Однако печи подобной конструкции в литейных цехах машиностроительных заводов не применяются в силу специфики используемых шихтовых материалов.

Представляет интерес с точки зрения металлургического выхода (97,4%) разработанная в США установка для плавки стружки разогретым жидким флюсом состава: 45% ШС1, 50% КС! и 5% ИазАШ /1/. Существенным недостатком этого процесса является его энергоемкость и технологическая сложность.

В европейских странах широкое распространение для плавки стружки получили барабанные вращающиеся печи /1/. Стружка в печь загружается либо вручную, либо машинами с помощью небольших мульд. Флюс подают в печь одновременно со стружкой. Скорость вращения печи составляет 1-2 об/мин и регулируется в зависимости от условий плавки. Для переплава стружки в таких печах используется флюс состава: 90% НаС1 -10% СаРг или 95% ИаС1 -5% ИазА^б. Расход флюса довольно большой и составляет 15-30%. Металлургический выход при плавке стружки достигает 95%. С технической точки зрения преимущество вращающихся печей перед стационарными состоит в том, что в них стружка практически сразу после загрузки покрывается слоем жидкого металла и флюса вследствие вращения печи, что позволяет провести плавку практически бе» угара металла.

Удовлетворительные результаты дает технология плавки стружки в индукционных тигельных печах с применением переходной ванны жидкого металла /1/. По этой технологии стружку загружают на поверхность расплава до полной вместимости тигля. Одновременно на стружку засыпается небольшое количество хлоридно-фторидного флюса. Повторную засыпку стружки и флюса производят по мере расплавления шихты и опускания ее в печь. Шлак в течение плавки удаляют 2-5 раз. Угар металла при переплаве стружки в индукционных тигельных печах в 2,1 раза меньше, чем при плавке в пламенных печах /3/.

Анализ литературных источников показал, что независимо от типа плавильного агрегата технологические процессы переплава стружки имеют следующие основные особенности /1,3,4/. Обычно стружку расплавляют в жидкой ванне, величина которой составляет не менее 30% от полезной емкости плавильного агрегата. Перед порционной

загрузкой стружки ванна металла перегревается до 780-800 °С и покрывается слоем расплавленного флюса. Количество стружки, загружаемой в плавильный агрегат за один раз не превышает Ча±11ъ от массы металла, наплавленного к моменту загрузки. Сразу после окончания загрузки стружки в печь ее втапливают в ванну расплава во избежание интенсивного окисления стружки во время ее нагрева на поверхности жидкого металла. В процессе плавки стружки жидкий шлак на поверхности расплава периодически обновляется. Расход флюса зависит как от типа плавильной печи, так и от окисленности стружки. В газовых печах для слабо и сильно окисленной стружки он, соответственно, равен до 40 и 100 % от массы шихты, а в электрических печах - до 5 и 20%.

В 80-е годы был разработан метод дождевого переплава стружки в слое жидкого солевого флюса /5/, который обеспечивает металлургический выход не менее 90% и загрязненность неметаллическими включениями не более Í балла по шкале ВИАМ. В целом качество металла на уровне первичного. Однако этот способ имеет и недостатки: применение большого (15%) количества экологически вредных флюсов; сравнительно низкая производительность; высокая температура процесса (800 °С); необходимость в спецоборудовании.

Интересен скоростной способ переплава стружки, разработанный И.В.Гаврилиным /5/, который основан на использовании стандартных печей сопротивления (CAT) или индукционных (ИАТ) и на применении небольшого (0,2*0,3%) количества жидкого флюса. Ускорение процесса плавки стружки обеспечивается резким сокращением времени ее окисления за счет непрерывной пропитки стружки расплавом алюминия в присутствии небольшого количества жидкого флюса. Способ обеспечивает высокий выход годного (85-90%) и низкое содержание неметаллических включений в металле (1-2 балл), однако требует применения хлоридно-фторидного флюса в плавильной печи.

С целью снижения потерь металла на окисление и уменьшения выгорания легирующих элементов при переплаве стружки алюминиевых сплавов авторы работы /б/ предлагают процесс плавки проводить в солевой электрической печи. При этом расплав солей, обладающий особыми физико-химическими свойствами, является средой для плавки, рафинирования, защиты металла и нагревателем, выделяющим тепло за счет омического сопротивления при пропускании через него электрического тока. Погружаясь в расплав солей и плавясь в солевой среде, стружка не окисляется, освобождается от оксидов, неметаллических включений и водорода. Потери металла

при этом составляют от 1 до 5 %, а количество образующихся шлаков не превышает 10,0% в зависимости от вида переплавляемых отходов. К сожалению, в работе не приводятся данные по загрязненности атмосферы цеха вредными парами флюса, которые при этом способе плавки должны быть весьма значительными.

Как следует из анализа литературных источников, стружку в качестве шихтового материала используют как в сыпучем, так и в брикетированном виде /3,7/.

Брикетирование позволяет уменьшить площадь цеха, необходимую для хранения стружки, облегчает ее загрузку в плавильную печь и уменьшает поверхность контакта с атмосферой. Однако брикетирование - это дополнительная операция, удлиняющая технологический процесс переработки стружки и требующая специального оборудования и предварительной подготовки стружки, в частности, очистки от масла, влаги и включений сплавов на основе железа. Кроме того, при использовании брикетов требуется больше времени на нагрев и расплавление шихты и снижается эффективность флюсовой обработки за счет уменьшения поверхности контакта стружки с флюсом.

Таким образом, проведенный анализ литературных источников позволяет заключить следующее.

1. Переплав стружки алюминиевых сплавов производят в различных плавильных агрегатах, как специально сконструированных, так и серийно выпускаемых промышленностью для литейных цехов. Эффективно процесс переплава стружки можно осуществлять в индукционных тигельных печах, которые, как известно, являются основным плавильным агрегатом во многих фасоннолитейных цехах машиностроительных заводов.

2. В специализированных плавильных печах для переплава стружки, как правило, полностью исключается контакт стружки с печной атмосферой, что повышает эффективность переплава. Однако оснащение литейных цехов машиностроительных заводов подобным оборудованием нецелесообразно ввиду большой длительности плавки, сложности перегрева расплава и проведения его рафинирующе-модифицирующей обработки.

3. При переплаве алюминиевой стружки широко применяются флюсы, как с целью защиты расплава от окисления и его рафинирования, так и в качестве нагревательного элемента. Флюс используется непосредственно в плавильной печи и засыпается не только на зеркало жидкого металла, но и непосредственно на стружку при ее загрузке в печь.

4. Известные технологические процессы переплава стружки имеют недостатки, в

числе которых необходимость использования специализированного оборудования, техническая сложность процесса, применение экологически вредных флюсов, зачастую в значительных количествах, невысокая производительность и др. Поэтому необходима разработка эффективного экологически чистого процесса переплава алюминиевой стружки, не требующего для внедрения значительных капиталовложений и переоборудования цеха.

1.2. Окисление алюминия и сплавов на его основе

Алюминий химически очень активен, что приводит не только к ухудшению свойств сплавов вследствие их загрязнения оксидными и интерметаллидными включениями, но и к существенным потерям металла на окисление /8/.

В зависимости от температуры и давления реагентов реакции окисления алюминия, а �