Методология исследования совмещенного процесса непрерывного литья и прессования металлов

В условиях быстро меняющейся конъюнктуры рынка для успешной деятельности отечественных предприятий в борьбе с зарубежными конкурентами первостепенное значение имеет планомерная, научно-обоснованная тактика инновационного управления производством, основы которого были заложены трудами русского экономиста Н.Д. Кондратьева в начале прошлого столетия. Проведение инноваций по повышению показателей эффективности производства актуально и на предприятиях по обработке цветных металлов и сплавов, анализ опыта работы которых в сравнении с зарубежными аналогами показывает, что отечественные производители утрачивают свои позиции в мировом объеме выпуска металлопродукции. Так, годовой объем отечественного производства прессованных профилей из алюминиевых сплавов в последнее годы составил 200–220 тыс. т, тогда как в Китае этот показатель достиг 1 млн т [1].

Из цветных металлов изготавливается широкий ассортимент продукции, в котором важное место занимают сплошные и пустотелые профили разнообразной конфигурации. Технология их производства на большинстве российских заводов отличается дискретностью операций плавки, литья, разделки слитков, термообработки, прессования, волочения, а применяемое оборудование – большой энерго- и металлоемкостью, требует значительных производственных площадей и штата работников, что, в конечном счете, повышает себестоимость продукции. В связи с этим задача повышения эффективности производства полуфабрикатов из цветных металлов и сплавов является на сегодняшний день одной из первостепенных и актуальных. Решение этой проблемы неразрывно связано с разработкой и практической реализацией энерго- и металлосберегающих технологий и оборудования, действующих по схеме совмещения операций литья и обработки давлением металла в непрерывные поточные линии, что позволит резко увеличить объем выпуска качественных, конкурентоспособных металлоизделий с низкой себестоимостью.

Одним из направлений для решения этой задачи является внедрение непрерывных процессов прессования профилей, позволяющих значительно снизить себестоимость и повысить качество пресс-изделий. В последние годы этому способствуют работы отечественных специалистов, занимающихся теоретическими и технологическими проблемами трубопрофильного производства, уделяющих все большее внимание исследованию и реализации инновационных процессов непрерывного прессования цветных металлов. Это внима- ние объясняется не только тем, что освоение процессов непрерывного прессования соответствует прогрессивным направлениям развития металлообрабатывающих производств, но и тем, что эффективность этих процессов подтверждает накопленный опыт их исследования, разработки и промышленного применения за рубежом при изготовлении мелкосортных профилей, труб и проволоки из цветных металлов и сплавов.

Одной из основных тенденций развития металлургической отрасли является совмещение этих переделов в одну непрерывную технологическую линию, лишенную отмеченных недостатков. Эту проблему решали многие металлурги-обработчики, начиная с середины ХIХ в., прежде всего это относится к работам Г. Бессемера, Г. Александера, Д. Грина, Т. Авитцура, Д. Проперци. Специалистами таких организаций, как Гипроцветметобра-ботка, ВНИИМетмаш, ВИАМ и др. разработаны и внедрены в промышленность агрегаты непрерывного литья и прокатки, бесслитковой прокатки ленты, что, несомненно, явилось значительным достижением отечественной металлургии. Но наряду с очевидной перспективностью применения процессов непрерывного литья и прокатки в настоящее время продолжаются исследовательские работы, направленные на разработку более эффективных и гибких технологических линий по совмещению непрерывного литья и обработки металлов давлением. Одно из этих направлений – непрерывное литье и прессование цветных металлов, позволяющее повысить технико-экономические показатели изготовления мелкосортной продукции по сравнению с традиционным прессова- нием на горизонтальных гидравлических прессах. Работу над решением этой проблемы стимулирует создание и широкое распространение в последние годы способов непрерывного прессования цветных металлов: Конформ, Экстроллинг, Линекс, совмещенная прокатка-прессование (СПП).

Наиболее перспективным является метод Конформ, предложенный в начале 70-х гг. прошлого столетия английским исследователем Д. Грином, который основан на применении разъемного контейнера, одна часть которого (колесо с кольцевой канавкой) подвижна относительно другой – башмака (рис. 1).

Совмещение операций подачи расплава металла непосредственно в контейнер установки Конформ и непрерывного прессования закристаллизовавшейся его части позволит существенно снизить металлоемкость производственных линий, повысить их гибкость и степень автоматизации. Этот способ изготовления пресс-изделий запатентован в Англии под названием Кастэкс [2]. Промышленная установка «Кастэкс С300Н» установлена на заводе фирмы Alform Аlloys в 1986 г. и включает систему непрерывной подачи в ручей колеса расплава металла (рис. 2), который кристаллизуется по мере вращения колеса и выпрес-совывается по способу Конформ. Устройство оснащено системой подачи жидкого металла 1–4 и двумя башмаками 6, 7, которые охватывают всю нижнюю половину колеса. Работа установки заключается в следующем. Жидкий металл 3 из заливочного ковша 1 через литейную насадку 2 и напорную трубку 4 попадает в канавку охлаждаемого колеса машины 8. По мере продвижения ме-

Рис. 1. Принципиальная схема реализации процесса непрерывного прессования по способу Конформ: 1 – рабочее колесо, 2 – кольцевая канавка, 3 – башмак, 4 – кольцевая вставка, 5 – вставка, 6 – матрица, 7 – заготовка, 8 – изделие, 9 – валок

Рис. 2. Схема установки Кастэкс: 1 – заливочный ковш; 2 – регулятор уровня; 3 – жидкий металл; 4 – напорная трубка; 5 – пресс-изделие; 6 – прижимной башмак; 7 – башмак для охлаждения расплава; 8 – колесо;

9 – упор; 10 – матрица

талла по калибру, образуемому выступом кол еса и канавкой башмака, металл кристаллизуется, перед упором 9 распрессовывается и выдавливается ч е рез канал матрицы 10. Быстрое охлаждение мета лла позволяет полу чить литую заготовку с незнач и тельной ликвацией и мелким зерном, что обесп е чивает высокую пластичность пресс -изделия 5.

Кастэкс является одним из самых экономи чных способов получения пресс - изделий. Однако данные о конструкции оборудования и практич еских р езультатах его эксплуатации в технической литературе не приводятся. Это объясняется, по - видимому, нежеланием авторов раскрывать пути преодоления определенных трудностей в осущес т влении и поддержании стабильного, устойчивого процесса непрерывной кристаллиза ции жидкого металла и его прессования.

Использование базовой установки Конформ для непрерывной заливки в канавку рабочего к о леса жидкого металла вызывает затруднения вследствие «намораживания» расплава при з а твердевании на входную часть неподвижной кол ьцев ой вставки. Устранение этого недостатка во з можно на установке Конформ, выполненной на базе кристаллизатора карусельного типа (рис. 3).

Жидкий металл из литниковой коробки 2 з а ливается в кольцевую канавку 3 вращающегося колеса 1, кристаллизуется до входа в канал матри цы, установленной в башмаке 4, и выдавливается в отверстие матрицы 5 в виде пресс -изделия.

Схема деформирования затвердевшей в канавке колеса-кристаллизатора части заготовки во многом аналогична непрерывному прессованию способом Конформ, что определяет следующую методологию расчета параметров процесса совмещенного литья-прессования металлов:

• 1    – нахождение рациональных размеров поперечного сечения контейнера;

• 2    – определение величины входного угла матрицы, обеспечивающей минимум энергии формоизменения;

• 3    – расчет значения угла между каналом матрицы и продольной осью контейнера, при котором обеспечивается минимальный уровень неравномерности деформации при экструдировании пресс-изделия;

• 4    – определение длины контейнера, достаточной для осуществления непрерывного прессования металла, с учетом выполнения условий по трем первым пунктам;

• 5    – расчет времени и протяженности участка кристаллизации расплава металла, поступившего в канавку колеса;

• 6    – определение места заливки расплава в канавку в зависимости от заданных значений температуры, скорости прессования, интенсивности охлаждения рабочего инструмента при стабильном процессе деформирования.

Методика расчетов по первым четырем пунктам не отличается от методики проектирования процесса Конформ [3]. Для определения параметров процесса по 5 и 6 пунктам использована теория квазиравновесной двухфазной зоны твердожидкого состояния металла, получившая развитие в трудах В.В. Соболева [4].

Для расчетов использовалась система координат xyz , изображенная на рис. 4. Ввиду осевой

Рис. 3. Схема установки непрерывного литья-прессования с вертикальной осью вращения колеса-кристаллизатора: 1 – рабочее колесо (кристаллизатор); 2 – литниковая коробка; 3 – кольцевая канавка;

4 – башмак; 5 – матрица для прессования

Рис. 4. Система координат при анализе кристаллизации расплава в канавке колеса

Таблица 1

Уровни и интервалы варьирования исследуемых технологических факторов

Параметры	Интервал варьирования	Верхний уровень	Нижний уровень
а 1 , Вт/(м2^К)	500	1200	200
T к , °С	50	150	50
b , мм	10	30	10
Т °C пр ,	100	550	350

Таблица 2

Зависимость времени остывания τ _к расплава АД 1 до 400 ^°С в кристаллизаторе от толщины стенки δ и коэффициентов теплообмена α _3б , α _3н , α _к

Параметры Значения параметров 5, мм 30 20 20 15 10 а3б Вт/(м2<К) 232 1740 232 232 232 а3н Вт/(м2^К) 2320 2320 1740 2320 2320 Тк, с 40 25 42 44 48 симметрии слитка с размерами l – длина, h – высота и b – ширина рассматривалась только его половина, т. е. соблюдались следующие условия: 0 < x < b/2 и 0 < y < h . При z = 0 металл заливался в канавку колеса. В плоскости симметрии x = 0 соблюдалось условие симметрии температурного поля. На боковых, нижней и верхней поверхностях слитка теплообмен определялся законом Ньютона.

Для реализации рассматриваемой технологии необходимо иметь значения времени остывания т_к заготовки до необходимой температуры, поскольку оно существенно влияет на формирование структуры и свойств заготовки для последующего прессования. Основными факторами, от которых зависит этот параметр, являются: температура поверхности калибра в момент заливки расплава T _к , коэффициент теплообмена а, значение температуры остывания заготовки при достижении матрицы T _пр , размеры поперечного сечения канавки кристаллизатора. Для нахождения зависимости времени остывания от перечисленных факторов применялось планирование экспериментов типа 2⁴ (табл. 1). При варьировании этих факторов был сформирован массив расчетных данных, отражающих зависимость времени остывания т_к заготовки до температуры прессования T _пр в карусельном кристаллизаторе от значимых факторов, и получено следующее уравнение регрессии:

т _к = 0,937 b + 0,092 Т _к - ( 1 + 1,32 b ) • 726/ Т пр +

+ 0,002 а 1 ( 1 - b ) - 4,1.                        (2)

При анализе кинетики затвердевания металла важно учитывать тепловое взаимодействие между слитком и кристаллизатором. Математическая модель этого процесса разработана путем совместного решения уравнения теплопроводности [5] для слитка и кристаллизатора-канавки с толщиной стенки 5 с учетом коэффициентов теплообмена ак между слитком и кристаллизатором, и а3 между кристаллизатором и внешним охладителем (воздух и вода). Для определенности исследовали затвердевание слитков сечением 20 × 20 мм из алюминиевого сплава АД1, с температурой tн заливки в кристаллизатор при температуре t0. Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Время т_к, необходимое для достижения температуры прессования t п = 400 °С, увеличивается с убыванием толщины стенки и ростом начальной температуры кристаллизатора из-за уменьшения его теплоаккумулирующей способности. Величина т_к убывает с увеличением коэффициентов теплообмена между слитком и кристаллизатором и между кристаллизатором и внешним охладителем вследствие более интенсивного отвода тепла от слитка. Время т_к возрастает с уменьшением толщины стенки кристаллизатора 5 и величины а_к. При водяном охлаждении боковых стенок кристаллизатора, интенсивность которого определяет коэффициент теплоотдачи а_3б, происходит сокращение т_к по сравнению с воздушным охлаждением, когда а_3б = а_3н = 232 Вт/(м²^К), где а_3н - интенсивность отвода тепла от нижней поверхности кристаллизатора.

Увеличение температуры стенкок колеса-кристаллизатора с 50 до 200 °С приводит к росту температуры заготовки и продолжительности ее остывания с 40 до 57 с (рис. 5).

Тепловое состояние кристаллизатора при стационарном тепловом режиме показано на рис. 6. Температура в угловых точках заметно ниже температуры в центральных областях его боковых граней и уменьшается с ростом интенсивности теплоотвода от кристаллизатора, толщины его

Рис. 5. Расчетная (1) и экспериментальная (2) зависимости времени остывания заготовки от температуры кристаллизатора при α = 580 Вт/(м2∙К), δ = 20 мм

Рис. 6. Распределение температуры на внутренней (1–6) и наружной (7–9) поверхностях кристаллизатора: 1 – α =116,2 Вт/м²·К; 2 – α =290 Вт/м²·К; 3 – α =580 Вт/м²·К; 4 – α =870 Вт/м²·К; 5 – α = 1160 Вт/м²·К; 6 – α А = 870, α В =290 Вт/м²·К; 7 – α А =290, α А =870 Вт/м²

стенок и убыванием коэффициента контактного теплообмена.

Точки А , В определяют углы на внутренней и внешней поверхностях кристаллизатора, соотве тственно, точки С , Е – аналогичные точки на уро вне зеркала расплава, точки F , D – середины ниж них поверхностей кристаллизатора с его внутре нней и внешней сторон.

Результаты теоретических расчетов легли в основу проектирования рабочего инструмента, системы его принудительного охлаждения и привода опытной установки совмещенного литья и прессования цветных металлов (рис. 7). За базовый элемент конструкции карусельного кристаллизатора принята поворотная платформа автомобильного крана грузоподъемностью 10 тонн. Обод кристаллизатора с кольцевой канавкой, изготовленный из теплостойкой инструментальной стали 5ХНМ, концентрично крепится болтами к зубчатой планшайбе планетарной передачи. Величина диаметра по оси дна кольцевой канавки составляет 1200 мм. Под ободом кристаллизатора предусмотрен желоб водяного сборника со встроенным в него коллектором с форсунками для подачи охлаждающей жидкости. Передача крутящего момента на планшайбу с закрепленным на ней ободом от

Рис. 7. Опытная установка непрерывного литья-прессования металлов, смонтированная в лаборатории кафедры ОМД СФУ

электродвигателя постоянного тока мощностью 90 кВт и угловой скоростью до 1000 об/мин осуществляется через червячный и планетарный редукторы с общим передаточным отношением 320. Размеры обода и величина крутящего момента, согласно предварительным расчетам, позволяют выполнить кольцевую канавку шириной до 40 мм для заливки жидкого алюминия, его качественного формирования, кристаллизации слитка, подачи его в контейнер и прессования в матрицу при заданной температуре.

Разъемный контейнер, по аналогии с машинами Конформ, устроен на участке сопряжения канавки кристаллизатора и неподвижного сегмента с установленной в нем матрицей и оканчивающийся выступом, перекрывающим поперечное сечение канавки. Неподвижная часть контейнера крепится к корпусу поворотной платформы болтами и фиксируется в рабочем положении дополнительными упорами, снижающими усилие на срез, действующее на стержни болтов. Матрица устанавливается в конусообразное отверстие, выполненное вблизи выступа, перекрывающего поперечное сечение канавки, причем большее основание отверстия направлено к ее дну. Для увеличения сил трения на поверхности контакта слитка с канавкой перед неподвижной частью контейнера устанавливается прижимной ролик. Плавка металла осуществляется в печи-миксере. Нагреватели электросопротивления, установленные в его верхней крышке, позволяют доводить температуру ванны миксера до 1050 °С. Шихта подается на плавку через загрузочное окно, для выпуска расплава предусмотрена летка с регулятором напора струи.

Процесс непрерывного прессования совмещенным способом на данной установке осуществляется следующим образом: рабочее колесо приводится во вращение путем запуска электродвигателя; жидкий металл из миксера через литниковую коробку подается в канавку рабочего колеса. За время движения до зоны деформирования объем металла кристаллизуется, принимает форму поперечного сечения канавки, охлаждается до нужной температуры. В прессовой камере передний конец заготовки достигает выступа сегмента, после чего происходит распрессовка материала заготовки по поперечному сечению камеры, увеличивая при этом силу контактного трения между стенкам канавки и заготовкой до усилия, необходимого для выдавливания изделия в канал матрицы. Процессы разливки металла, кристаллизации, охлаждения и подачи заготовки в камеру прессования, ее распрессовка и выдавливание происходят непрерывно по мере вращения колеса. Выходящее из матрицы пресс-изделие через направляющие ролики поступает на охлаждение.

Для разработки технологии получения изде- лий непрерывным прессованием непосредственно из жидкого металла на этой установке проведены эксперименты по установлению влияния на процесс формирования, остывания заготовки и ее прессования следующих факторов: температуры поверхности канавки колеса-кристаллизатора, площади ее поперечного сечения, температуры заливаемого металла, величины заходного угла матрицы и ее расположения относительно дна канавки, скорости подачи к матрице, температуры прессования и коэффициента вытяжки.

Таким образом, было установлено, что совмещение процессов непрерывного литья и прессования в одном инструменте должно обеспечивать создание и соблюдение постоянного градиента температуры металла на участке его заливки в кристаллизатор и в зоне матрицы, где происходит деформирование кристаллизованной заготовки. Уровень градиента зависит от характера распределения температуры вдоль переходной зоны твердожидкого состояния металла в кристаллизаторе и определяет как энергосиловые параметры процесса деформирования, так и качество получаемого пресс-изделия. Такая связь тепловых, силовых и реологических параметров процесса обуславливает последовательность проведения исследований, необходимых для разработки рациональных режимов его реализации.

Результаты экспериментальной проверки теоретических зависимостей характеризовались высокой надежностью и показали целесообразность практического применения.

Успешные испытания лабораторной установки, представленной на рис. 7, подтвердили возможность осуществления процесса непрерывного литья-прессования металлов, а также достоверность теоретических зависимостей, полученных в работе. Перечисленное явилось основанием для проектирования опытно-промышленной линии в соответствии с техническими заданиями таких предприятий цветной металлургии, как Саяногорский алюминиевый завод (СаАЗ), Красноярский алюминиевый завод (КрАЗ), Туимский и Каменск-Уральский заводы ОЦМ.