28.03.2018

Предварительная обработка расплавленного металла


При непрерывном литье требуется еще более тщательная, чем при отливке обычных слитков в изложницы, очистка жидкого металла. Это особенно важно при литье в кристаллизатор, непосредственно связанный с печью, так как в таком случае возможность скачивания шлака с расплавленной поверхности заготовки исключается. В некоторых случаях очистка охватывает также операции удаления твердых загрязняющих примесей и дегазацию металла. Предварительная подготовка, само собой разумеется, не ограничивается только очисткой; к ней могут относиться также специальные мероприятия, имеющие и другие цели.

Отмечая недостатки существующих методов приготовления плавки для литья легких металлов (насыщение газами, потери металла от 1,5 до 2% от угара, большие паузы), фирма Vereinigte Aluminium-Werke в 1951 г. предложила в зависимости от потребности плавить металл непрерывно или периодически в необходимых количествах, сразу фильтровать его и тотчас же производить отливку. На рис. 1471 и 1472 соответственно данному предложению показана плавильная печь емкостью 7 г. Цифрой 1 обозначен порог печи, цифрой 2— стенка, разделяющая печь на плавильное пространство S и пространство выдержки металла 4 (копильник).
Наклон горелки 5 подобран таким образом, что пламя встречается с разделительной стенкой 2 несколько выше зеркала ванны. Топливом служит преимущественно угольная пыль, газ или нефть. Дымовые газы вытягиваются через разделительную стенку в трубу 6.

Печь загружают исходным металлом в виде чушек через окно 7. Количество загружаемого металла должно быть таким, чтобы исключалась необходимость пребывания его длительное время под воздействием пламени. Необходимо также, чтобы в копильнике не собиралось металла больше, чем требуется для покрытия нижней кромки разделительной стенки. С другой стороны, зеркало ванны не должно опускаться ниже этой кромки, иначе плавающие на поверхности окислы и продукты горения могут попасть в копильник. Поступающий в копильник чистый металл непрерывно расходуется через отверстие 8.

В описанном методе исключается возможность насыщения жидкого металла газами вследствие малой высоты слоя заваленной в печь шихты, что позволяет расплавлять металл без существенного его перегрева против температуры плавления.

Металл, проходя длинный путь в печи, успевает выделить на поверхность захваченные окислы. Этому процессу благоприятствует малая глубина ванны металла, равная 100—150 мм.
Потери металла составляют в среднем всего 0,5%. На рис. 1473 и 1474 показана другая конструкция плавильной печи. Металл, непрерывно вытекающий из отверстия 8, проходит через фильтр, который может быть выполнен, например, так, как показано на рис. 1475. Фильтр 9, разделенный стенкой 10, встроен в разливочный желоб. Входная часть фильтра заполнена мелким коксом или размолотым шамотом 11. Очищенный металл из пространства 12 поступает в установку непрерывного литья 13.

Если при ранее существовавших методах литья 7-т печь могла пропускать ежедневно только по одной загрузке, то по предложенному методу из печи такой же емкости можно было ежедневно отливать до 30 т металла. Отливки получались соответствующими техническим требованиям в отношении чистоты и степени дегазации.

Эльдред, ссылаясь на Свой кристаллизатор, связанный с печью и предназначенный для непрерывного литья меди, алюминия и других металлов, в 1930 г. заявил о возможности установки этого кристаллизатора в системе вакуум-печи с целью облегчения процесса дегазации расплавленной меди.
На рис. 1476 представлено устройство Юнганса (1943 г.), предназначенное для непрерывного литья. Цифрой 1 обозначен подогреваемый копильник, в который через патрубок 2 может быть подан сжатый газ, а через патрубок 3 удаляется воздух. В то время была известна необходимость герметизации кристаллизатора вверху, чтобы удалить воздух. Этот метод работы, однако, не позволял наблюдать за зеркалом ванны, а также выполнять такие операции, как закладывание разделительных элементов, описанные на стр. 441. Предложенное устройство освобождало от необходимости герметизировать кристаллизатор.

Патрубок для удаления воздуха размещается на горизонтальном участке П-образного литника, соединяющего копильник с кристаллизатором, в расчете на то, что на этом участке металлом заполняется лишь часть проходного сечения литника. Целесообразно иметь проходное сечение горизонтального участка большим, чем у .вертикальных участков.

На рис. 1477 представлен горизонтальный разливочный желоб, перекрытый прозрачным жароупорным стеклом.

В установке, согласно рис. 1478, по методу Юнганса (1941 г.) производится дегазация расплавленного металла попеременно в копильниках 2 и 5. установленных между плавильными печами 1 и 4 и кристаллизатором 3. Дегазация здесь происходит почти без дополнительных затрат и без необходимости прерывать процесс.

Подогреваемые копильники подключены к трубопроводам вакуума б и 8 и к трубопроводам давления 7 и 9. В начальных точках подводящих литников 10 и 12 установлены обратные клапаны 11 и 13. Так, например, когда копильник 5 под давлением сжатого нейтрального газа или воздуха питает через открытый клапан 13 кристаллизатор 3, клапан 11 автоматически закрывается.

На пути из копильников в кристаллизатор металл находится в контакте с нейтральным газом или воздухом в течение непродолжительного времени и поэтому не успевает поглотить много газа.

Фирма Vereinigte LeichtmetalI-Werke в 1945 г. указывала, что полная дегазация, в особенности при плавке легких металлов, с мощью таких средств, как рафинирующие соли, хлор или длительная выдержка, неосуществима.

До настоящего времени для полной дегазации требовалось проводить плавку металла или сплава в вакууме.

Фирма предлагала устройство, показанное на рис. 1479, которое должно было обеспечить практически полную дегазацию без необходимости проводить плавку и литье под вакуумом.
В заполненный жидким металлом тигель 1 опущен сифонный литник 2, второй конец которого введен в сборник 3. Из сборника 3 выходит идущий вниз литник 4. Сборник 3 трубопроводом 6 соединяется с вакуум-насосом. Для проведения дегазации сперва с помощью заглушки 5 перекрывается литник 4, после чего сборник 3 опорожняется до уровня, обеспечивающего заполнение литника 4 металлом, засасываемым по литнику 2. Затем удаляется заглушка 5 и устройство работает как сифон, подавая жидкий металл в кристаллизатор 7, либо в распределительное устройство, либо в какой-либо иной промежуточный сосуд.

Дегазация происходит в сборнике 3. Высота h для алюминиевых сплавов, в зависимости от атмосферного давления, принимается в пределах от 3,5 до 4 м.

Фирма Vereinigte Aluminium-Werke предложила дегазировать металл, поступающий из печи для электролиза алюминия, перед тем как он попадает в установку непрерывного литья, применяя разрежение в сборнике. До этого, если необходимо было иметь достаточно очищенный от газов и окислов пригодный для литья металл, обязательно требовалось выдерживать его часами, а иногда в течение целого дня в обогреваемом сборнике.

В предложении указывалось, что время очистки металла может быть сокращено по крайней мере на один час при применении вакуумных печей. Большое содержание водорода в алюминии при этом не является недостатком. Даже наоборот, водород в алюминии оказывает полезное действие, так как газовые пузыри, поднимаясь, оставляют на поверхности жидкого металла частички шлака и мусора, откуда они после снятия разрежения перед литьем могут быть легко удалены.

Металл, очищенный описанным способом, значительно лучше отвечает требованиям непрерывного литья.

Фирма Vereinigte Aluminium-Werke далее нашла, что в некоторых случаях целесообразно применять не вакуум, а, наоборот, повышенное давление, используя с этой целью при литье алюминия сжатый инертный газ, например азот. Количество применяемого газа невелико и, таким образом, использование азота едва ли может вызвать образование в металле нитридов. При этом образуются большие газовые пузыри, ванна подвергается интенсивному перемешиванию, что облегчает удаление взвешенных частичек шлака.

Фирма Ford указывала, что полученные непрерывным литьем стальные прутки нельзя было применять в тех случаях, где требовалась полированная поверхность, так как непосредственно под литой поверхностью этих прутков имелись мелкие пустоты. Указывалось, что этот недостаток должен быть устранен дегазацией стали перед непрерывным литьем в кристаллизатор; дегазация, кроме того, позволяет получить материалы, раскисленные и содержащие малое количество серы.

На рис. 1480 показано устройство для дегазации. Жидкий металл через литник с индукционным обогревом 1 попадает в камеру дегазации 2, которая соединена с вакуум-насосом трубой 3. В камере создается разрежение от нескольких тысячных мм до 20 мм. Металл проходит через камеру в виде капель, освобождаясь при этом от азота и водорода. Благодаря реакции между окисью железа и углеродом последний удаляется в форме окиси углерода.

Через трубу 4 в камеру можно вводить газообразные рафинирующие вещества. Дегазационная камера снизу переходит в барометрическую колонку 5, оборудованную электрообогревом. Эта колонка в свою очередь соединяется с кристаллизатором 7 кожухом 6. Щитки 8 и 9 предохраняют кожух от температурного воздействия расплавленного металла.
Для защиты металла камера 10 продувается аргоном или гелием Вначале работы пробкой 11 перекрывают литник 5. Кристаллизатор может присоединяться вертикально и горизонтально непосредственно к барометрической колонке; в последнем случае наличие свободного пространства с заливочной стороны кристаллизатора исключается.

Устройство предназначено в основном для непрерывного литья обычных углеродистых сталей.

Фирма Kaiser Aluminium Chemical Corp. установила, что алюминий после обработки газами на пути к кристаллизатору снова поглощает водород, так как в воздухе содержится влага. Непрерывно отливаемые заготовки, имеющие вначале сравнительно здоровый металл, в продолжение процесса литья приобретают все возрастающую пористость.

Фирма предложила подвергать действию хлора или азота в основном лишь ту часть жидкого металла, которую имеется в виду выпустить из плавильной или промежуточной печи, а также подавать металл к кристаллизатору, не допуская при этом открытого его течения. На рис. 1481 и 1482 (сечение AA) представлено соответствующее устройство.

В печи 1, обогреваемой нефтью, газом или коксом, с помощью стенок 4 и 5 отделено небольшое пространство 2 вблизи выпускного отверстия 3. Стенка не достигает подины печи. В пространство 2 введена трубка 6, выполненная из графита или карбида кремния.

Хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации графитовые трубы с наружным диаметром 50 мм и внутренним 12 мм. Трубная разводка печи 7 охлаждается водой.

Сперва производится заполнение ванны жидким металлом. Удалять шлак с поверхности ванны не следует преждевременно, так как это способствует насыщению металла газами. Затем по трубке 6 вводится газообразный хлор, который в виде пузырей проходит через жидкий металл, заполняющий пространство 4 у выпускного отверстия. Излишек газа собирается под сводом печи, и защищает расплавленный металл от вредного действия влаги и дымовых газов. Вытекающий жидкий металл проходит по желобу 8 в кристаллизатор, при этом, как видно из рисунка, открытое течение металла исключено. Желоб 8 снабжен крышкой с электрическим обогревом, под которой поддерживается атмосфера сухого воздуха, двуокиси углерода, азота или аргона. При этом исключается возможность вторичного поглощения расплавленным металлом водорода.

На такой установке американская фирма при непрерывном литье сплава 75S (сплав системы Al-Zn-Mg) в квадратные заготовки сечением 450х450 мм и длиной 2,3 м и круглые диаметром 800 мм и длиной 2,25—2,4 м получила здоровый металл по всей длине заготовок. Этот метод весьма эффективен также при непрерывном литье заготовок больших сечений из сплава 24S системы Al-Cu-Mg.

К предварительной обработке жидкого металла относится также фильтрование. При литье алюминия и его сплавов с этой целью часто используется фильтр из стальной сетки с диаметром проволоки 1,6 мм. и 8 отверстиями на один квадратный дюйм.

Такая сетка должна иметь защитное покрытие из материала, идущего на обмазку рабочих поверхностей кристаллизатора, что, впрочем, приводит к тому, что многие отверстия забиваются.

Фирма Aluminium Laboratories вместо стальной сетки применяет сеть, сплетенную из стеклянной нити, не требующую никакой обмазки.

Эта фирма получает заготовки, отличающиеся лучшим качеством и дающие меньший отход при последующей переработке: уменьшается глубина зачистки наружной поверхности этих заготовок. Предварительный нагрев такой сетки чаще всего не требуется. Наиболее благоприятный размер сечения отверстий в сетке составляет около 6,5 мм2.
На рис. 1483 представлено устройство, отличающееся особо большой долговечностью. На рис. 1484 и 1485 показано другое конструктивное исполнение устройства, представленное на примере установки для одновременной отливки двух заготовок для последующего проката. Первая стеклянная сетка 1 установлена в днище чаши 2, две других сетки 3 опущены в жидкую часть заготовок.

Следует еще упомянуть устройство для фильтрования жидкого металла, предложенное фирмой Vereinigte Aluminium-Werke в 1944 г. Устройство представляет собой плиту с отверстиями, поддерживающую несколько насыпных фильтрующих слоев, крупность частиц которых вначале убывает, а затем возрастает.

Такая конструкция позволяет иметь плиту со сравнительно крупными отверстиями, благодаря чему фильтрующая масса может использоваться длительное время и не требуется ее обновление. Крупные частицы посторонних примесей в металле задерживаются в самых верхних слоях, не вызывая увеличения сопротивления фильтра. Кроме того, слои с самым мелким зерном защищены от механического воздействия струи жидкого металла. Для фильтрования первичного алюминия используется, например, фильтр из кварцевого песка, выполненный следующим образом: на плиту с отверстиями укладывается слой песка толщиной 5 мм с величиной зерна от 4 до 6 мм; следующий такой же толщины слой имеет зерна размером 2—3 мм, далее идет слой той же толщины с зерном от 1 до 1,5 мм и, наконец, слой толщиной 15 мм с зерном от 0,1 до 0,3 мм, примыкающий к центральному слою фильтра. Центральный слой имеет толщину 10 мм и составлен из песчинок величиной менее 0,06 мм. Дальнейшие слои фильтра выполнены в обратном порядке.

Фирма Julius August Erbsloh отметила, что хлорирование жидкого алюминия, которое не только освобождает металл от газов, в особенности от водорода, но и содействует очищению его от взвешенных неметаллических частиц, связано с затруднениями, если жидкий металл необходимо отливать, например, в установке непрерывного литья сразу после выпуска из хлорирующего устройства. В этом случае возникает опасность, что еще не все взвешенные загрязняющие примеси вышли на поверхность ванны. С другой стороны, при фильтровании газы не удаляются и фильтр быстро забивается.

Фирма в связи с этим предлагала проводить хлорирование и фильтрование попеременно, одно непосредственно за другим в общем устройстве, используя фильтр поочередно для очистки и для подведения хлора. При использовании устройства, представленного на рис. 1486, расплавленный металл заливается в сосуд 1, а хлор подводится в копильник 3. Хлор проникает через фильтрующую плиту 2 в жидкую ванну. После достаточного хлорирования давление хлора снижается и пробка 4 удаляется. Хлорированный металл течет через фильтрующую плиту и выходит через носок 5.

Устройство, показанное на рис. 1487, позволяет вести непрерывный процесс, здесь одна плита используется для хлорирования, а другая — для фильтрования.
При переработке алюминия и его сплавов, в особенности на листовой материал, образование пузырей приводит к неполадкам и браку. Фирма Metallgesellschaft в 1953 г. установила, что поражение металла пузырями может быть в существенной мере снижено, если тонкую струю жидкого металла подвергнуть действию окисляющего газа, например воздуха, а затем еще до литья удалить образующуюся пленку окислов, в которой содержатся загрязняющие примеси, содействующие образованию пузырей. При струе толщиной 8—10 мм продолжительность воздействия газа должна быть не менее 2 сек.

Благоприятное действие оказывает ступенчатая форма пути, по которому течет металл, так как в этом случае струя разрывается и новая поверхность металла подвергается окислению.

Различные виды предварительной подготовки жидкого металла к непрерывному литью были предложены Гессе в 1892 г. в связи с его методом прокатки металлических труб из жидкого металла. Так, он предусматривал присадку определенных материалов в разливочный желоб, например алюминия в жидкую сталь. При разливке легко затвердевающих металлов (свинца, олова и цинка) отливаемый металл может предварительно по трубке на дне разливочного желоба отводиться вниз и там сливаться с присадкой.

Гессе предложил также вводить металлические частицы в твердом, холодном состоянии, например куски стали в струю металла, с целью получения декоративного орнамента (например, для производства ружейных стволов). Он предлагал также подвергать высокому давлению жидкий металл перед отливкой в закрытую снизу изложницу с целью получения равномерной структуры и хороших физических свойств, а также для уплотнения металла и удаления из него шлаков и газов.

Фирма Karl Schmidt в 1941 г. установила, что подшипники и поршни из отлитого непрерывным способом Al-Si сплава с содержанием от 8 до 25% Si подвержены коррозии. Этот недостаток устранялся при обработке сплава перед непрерывным литьем щелочносвязывающими веществами, например гаkоидами, галогеноводородными кислотами или жидкими (лучше не натриевыми) галоидными солями. Можно использовать также органические галоидные соединения, такие как гексахлорэтан и тетрахлоркарбид.

Обработанный таким образом металл обладает структурой, чрезвычайно благоприятной для получения высоких антифрикционных качеств, и поддается прессованию и ковке лучше, чем металл, процесс охлаждения которого проходил значительно медленнее.

По данным фирмы Vereinigte Leichtmetall-Werke, заготовки из чистого алюминия, а также гомогенных в холодном состоянии чистейших алюминиевых сплавов (например, с содержанием магния до 2,5%), предназначенные для производства листов, пригодных для глубокой вытяжки и штамповки, могут получаться также и методом непрерывного литья с непосредственным охлаждением слитка водой. Для получения таких заготовок необходимо, чтобы сплав содержал от. 0,0001 до 0,2%, а лучше от 0,001 до 0,02% бора. Эффект усиливается при одновременном присутствии циркония, ниобия, ванадия или хрома и особенно в присутствии титана.

Co склонностью непрерывно отлитых слитков из высокопрочного справа системы Al-Zn-Mg-Cu (а также системы Al-Mg-Si) растрескиваться, по данным фирмы Vereinigte Aluminium-Werke, можно бороться путем добавления в сплав небольшого количества титана или титана с бором, например при производстве круглых слитков диаметром 500 мм из сплава системы Al-Zn-Mg-Cu методом литья с непосредственным охлаждением водой достаточна добавка 0,03% Ti или 0,01 % Ti и 0,003% В. Содержание титана должно в 3—4 раза превосходить содержание бора.

Следует еще упомянуть метод фирмы Monnot Metallurgical Company, согласно которому металл заливается в кристаллизатор через слой расплавленного флюса.

Известно, что раскисленная медь без затруднений может подвергаться непрерывному литью, чего нельзя сказать про нераскисленную электролитическую или рафинированную медь. Раскисленная медь, однако, часто содержит излишний фосфор, который применяется в качестве раскислителя, и это снижает электропроводность меди. В связи с этим фирма Osnabriicker Kupfer- und Drahtwerk опубликовала способ, позволяющий раскисленную медь с избытком фосфора привести в состояние, при котором она великолепно отливается и в то же время обладает первоначальной высокой электропроводностью. Способ предусматривает использование обожженного известняка с добавлением плавикового шпата, а также кислорода или воздуха.

Сюда же относится метод, разработанный фирмой Soudure Eleclrique Autogene. Согласно этому методу металлический лом разделяют на отдельные тонкие однородные волокна, которые собирают в пучки и раньше чем они могут окислиться деформируют между валками прокатного стана.

Полученный металл плавится в электропечи и отливается в связанный с ней горизонтальный кристаллизатор. Предусматривается непосредственная подача непрерывно отливаемой заготовки в проволочный прокатный стан.





Яндекс.Метрика