Развитие непрерывного литья магния и магниевых сплавов

О первых опытах непрерывного литья магниевых сплавов сообщают Рот и Вейссе в 1944 г.

Юнганс в 1936—1937 гг. провел успешные опыты по получению слитков из магниевых сплавов непрерывным литьем в водоохлаждаемый кристаллизатор. В 1939 г. фирма Winterschall AG начала эксплуатацию установки Юнганса. Кристаллизатор имел высоту 800 мм. Слиток вытягивали книзу и летучей пилой резали на мерные заготовки,

После введения низких кристаллизаторов с прямым охлаждением для алюминиевых слитков возникла потребность в подобных же устройствах для литья магниевых сплавов. Жидкий магний энергично взаимодействует со следами влаги, однако металл не загорается при интенсивном охлаждении, когда тепло очень быстро поглощается большим количеством воды. В 1940 г. фирма Vereinigte Leichtmetall-Werke GmbH осуществила непрерывное литье слитков из магниевых сплавов с прямым охлаждением водой. Высота кристаллизатора была 80 мм. Расплав в желобе и кристаллизаторе защищался от окисления двуокисью серы. Неполностью затвердевший слиток по выходе из кристаллизатора охлаждался водой и температура его очень быстро падала до 100°.

Выяснилось, что качество поверхности существенно улучшается, если кристаллизатор имеет конусность 0,5—1%. Если диаметр кристаллизатора вверху составлял 400 мм, то на нижнем торце он был на 2— 4 мм меньше. В результате этого воздушный зазор уменьшался и наплывы на поверхности не образовывались. Глубина лунки в кристаллизаторе была невелика и доливка не нужна. Головная часть слитка получалась настолько здоровой и плотной, что ее не отрезали. Распределение легирующих компонентов в слитках было не столь равномерным, как при литье погружением тонкостенной изложницы в воду, но значительно лучше, чем при непрерывном литье без подачи воды на слиток. Структура слитков при прямом охлаждении была наилучшей. Первичные кристаллы и отложения остаточного расплава имели очень малые размеры. Это было особенно важно, так как при такой структуре во время гомогенизации выделения Al2Mg3 значительно легче растворяются, чем в случае крупнозернистого строения. Кроме того, такая структура более благоприятна для деформации. Слитки, полученные с прямым охлаждением, обнаруживают лучшие свойства даже без гомогенизации.

Менцен и Паттерсон также описывают освоение непрерывного литья магниевых сплавов. Применялся низкий кристаллизатор. Сначала, учитывая опасность загорания, в качестве охлаждающей среды применяли масло, предназначавшееся для тушения горящего магния. Затем была опробована вода с антикоррозийными добавками и, наконец, пришли к выводу, что вполне можно использовать обычную воду.

Паттерсон в 1943 г. показал, что сплав магния с марганцем при непрерывном литье имеет очень мелкозернистое строение и не дает столбчатой структуры. Было выяснено, что на слитках больших сечений вследствие малой теплопроводности магниевых сплавов увеличивается линейная скорость роста кристаллов и уменьшается число центров кристаллизации, так что в центре образуются столбчатые кристаллы. Ho эти столбчатые кристаллы растут таким образом, что переплетаются между собой, и, следовательно, сохраняются благоприятные условия для горячей прокатки.

В некоторых магниевых сплавах (с церием и марганцем) при непрерывном литье в центре слитка образуются тонкие вытянутые столбчатые кристаллы,, которые не появляются при литье в изложницы. Эти кристаллы возникают в месте попадания струи, т. е. в областях наименьшего отвода тепла; остальная структура остается мелкозернистой. Столбчатые кристаллы занимают только срединные слои слитка ,и их влияние на ухудшение обрабатываемости давлением тем более вредно, что они находятся под мелкозернистой зоной. На сплаве Mg-A16 авторы не наблюдали столбчатых кристаллов. Чистота и степень ликвации на слитках непрерывного литья была получена такая же, как и при литье погружением. Однако затраты энергии и времени в случае непрерывного литья меньше. По данному вопросу см. также работу.

В 1942 г. был взят патент, в котором предлагались добавки в охлаждающую воду. Эти добавки уменьшают образование водорода и, кроме того, замедляют коррозию (хроматы, манганаты, ванадаты, молибдаты). Опасность от соприкосновения жидкого магния с водой невелика в том случае, если температура метала низка и количество воды велико.

Так как при непрерывном литье ликвация невелика, то возможно введение в сплав редких элементов (церия и пр.). Поскольку при этом получается мелкое зерно, то отпадает надобность в перегреве сплава и, следовательно, уменьшается разъедание тиглей, угар металла и расход флюсов.

Для уменьшения ликвационных наплывов, кроме сужения кристаллизатора по ходу слитка, были сделаны попытки создать особые температурные условия в кристаллизаторе.

Фирма Durener Metallwerke AG в 1935—1941 гг. разработала установку с гусеничным кристаллизатором для отливки слитков из алюминиевых и магниевых сплавов. Были попытки также использовать установки с подвижным кристаллизатором.

Для литья сплавов, очень склонных к обратной ликвации (Mg + 6% Al + 0,3% Мn + 1% Zn), в 1942 г. немецкой фирмой в Лейпциге была создана установка с подогреваемым кристаллизатором (рис. 1653). В толстостенном чугунном кристаллизаторе 1 имеется полость для прохода охлаждающей воды 2. Кристаллизатор перед работой подогревается до нужной температуры (до 300° для указанного сплава) с помощью горелок 3. Температура кристаллизатора контролируется термопарой и милливольтметром 4. Позже эта же фирма стала применять кристаллизаторы с алюминиевой или медной рубашкой толщиной 3—6 мм. Теплопередача через эту рубашку составляла 0,25 кал/сек на 1 см2 площади рубашки на каждый градус повышения температуры охлаждающей воды.

При литье магниевого сплава с 6% Al, 0,25% Mn и 1% Zn в низкий кристаллизатор с прямой подачей воды на слиток, образовывались наплывы, которые прилипали к стенкам кристаллизатора. Возраставшее из-за этого трение нарушало ход литья. Одновременно заливаемый сверху жидкий металл проникал по зазору между слитком и кристаллизатором. В момент соприкосновения расплава с водой происходила бурная реакция. После этого первоначальная конструкция кристаллизатора (рис. 1654) была видоизменена (рис. 1655). Главная особенность в видоизмененной конструкции заключается в большем отводе тепла от слитка, при этом слиток остывает до комнатной температуры уже в кристаллизаторе, так что образование наплывов исключено. Зависания слитков в таких условиях также не происходит. Стенки кристаллизатора ради большей теплопроводности делают медными и очень тонкими. В случае, если рубашка алюминиевая, толщина ее не должна превышать 3 мм.

Фирма Dow Chemical Co в 1945 г. пыталась улучшить качество поверхности слитков и уменьшить ликвационный слой на магниевых сплавах за счет вибрации металла. На рис. 1656 представлена схема опытной установки, которая была предназначена для сплавов с большим интервалом кристаллизации. Кристаллизатор-насадка имеет обратную конусность (шире внизу). Затравка 1 изготовлена из магниевого сплава и служит для начала литья. Вода для охлаждения поступает из кольцевого cпрейера 2. Металл заливается в насадку 3 до уровня верхней кромки 4. Температура стенок насадки поддерживается выше точки ликвидуса за счет теплоты перегрева. Насадка имеет теплоизоляцию 5. В начале процесса тепло отводится только затравкой 1, три этом образуется кашеобразная смесь жидкого и твердого 6, которая до затвердевания постепенно переходит в слиток нужного сечения. Окончательное формирование слитка происходит на уровне 7. Слиток диаметром 300 мм из магниевого сплава (8,5% Al, 0,2% Mn, 0,5% Zn) отливался со скоростью 65 мм/мин при температуре 680°. Насадка имела высоту 200 мм, конусность 2,1% и была изготовлена из железного листа (6,3 мм) с асбестовой изоляцией (25 мм). Расход воды составлял 9 л/мин. Вибрация производилась с помощью пневмовибратора 8. Амплитуда колебаний 1,7 мм, частота — 20 ударов в секунду и более.

Фирма Aluminium Co of America в 1945 г. проводила работу по борьбе с неслитинами на алюминиевых или магниевых сплавах с помощью рифленой поверхности на головной части слитка.

В 1945 г. была предложена новая машина для отливки магниевых слитков. Она изображена на рис. 1657 (вид частично сбоку, частично в разрезе), на рис. 1658 (вид сверху), на рис. 1659 (разрез по AA с рис. 1658). Воздух из полости формы 2 отсасывается по трубе 1, жидкий магний из раздаточной печи 4 по патрубку 3 затекает в полость формы. В раздаточной печи металл находится под защитным газом или флюсом. Как только (полость формы заполнится металлом, поршень 5 запирает ее. Затравка 7 служит лишь для первой заливки и удаляется после того, как первый слиток выталкивается в охладительную камеру 6. Установка снабжена электрической схемой, обеспечивающей автоматическое управление процессом.

Для уменьшения частых обрывов струи и захвата окислов, особенно в случае магниевых сплавов, немецкая фирма в 1944 г. в Лейпциге опробовала следующую схему подачи металла (рис. 1660 и 1661). Из миксера металл попадает в разливочный металлоприемник 1, который разделен дырчатой перегородкой 2 из стержневой смеси; в конических отверстиях этой перегородки задерживаются окисные включения. Перегородка служит для отливки одного слитка. Из металлоприемника металл перетекает по желобу 3 в распределительную коробку, которая состоит из наружной части 5, внутренней части 7 и выпускных патрубков 6, по которым металл уже перетекает в кристаллизатор 4. Внутренняя часть 7 лежит в коробке свободно. Более тяжелые, чем расплав, инородные включения собираются на дне распределительной коробки.

Чтобы избежать перелива металла по желобу, та же фирма в 1942 г. построила печь специальной конструкции (рис. 1662, 1663). Металл находится в стальном тигле 1, который имеет карман 3 для заливки расплава. Печь обогревается горелками 2, дымовые газы отводятся через канал 4. Емкость тигля 1 примерно в два раза больше емкости ковша, которым металл переносится из рафинировочной печи.

Карман 3 сообщается с тиглем 1 сплошным вертикальнощелевым каналом. С воздухом находится в контакте лишь очень небольшая поверхность металла (в кармане). Под крышку 5 подается двуокись серы. Металл в кристаллизатор 9 подается по трубе 6 и регулируется стопором 7. Сменный наконечник 8 во время литья находится под зеркалом металла. Чтобы обеспечить непрерывную работу этой печи, она была переоборудована и сделана поворотной в горизонтальном направлении вокруг оси дымохода (рис. 1664). После окончания литья на кристаллизаторе 1 печь 2 поворачивается на 90° и начинается отливка в кристаллизатор 3. Затем кристаллизатор 1 отводится в сторону и слиток извлекается из приямка. К моменту окончания отливки слитка на кристаллизаторе 3 кристаллизатор 1 возвращается в исходное положение. Раздаточная печь 2 работает непрерывно, металл в нее подается ковшами 4.

Чтобы обеспечить надежное рафинирование солями больших количеств расплава и чтобы не уничтожалось модифицирующее действие перегрева вследствие медленного охлаждения, та же немецкая фирма в 1942 г. разработала следующую схему, изображенную на рис. 1665. Металл плавится в большой печи (емкостью 2000 кг) и разливается в железные тигли малой емкости (200—300 кг), которые перевозятся в рафинировочные печи А. В этих печах металл промывается флюсом и перегревается. Затем тигель вынимают из печи At и ставят на тележку Б1. Здесь металл быстро остывает до нужной температуры, для ускорения охлаждения тигли иногда обдувают сжатым воздухом. После этого тележка Б1 с тиглем подходит к раздаточной печи П и металл сливается, а тележка переходит на колею 16. Из раздаточной печи cразу же начинается литье, тем временем из печей А2 и А3 тележкой подаются следующие, тигли. Все тележки с колеи Ia переходят на колею I6. Точно так же передается металл из второй группы рафинировочных печей и все тележки с колеи IIa переводятся на колею IIб. На колеях I6 и IIб тигли очищаются и вновь направляются сначала к плавильной, а затем к рафинировочной печам.

На рис. 1666 представлена схема подачи легкоокисляющихся металлов в кристаллизатор, которая была разработана в 1945 г. в Биттерфельде (Германия). Литейный желоб 1 имеет наконечник 2 с графитовой вставкой 3. Наконечник входит в распределительную коробку 4, 5 — жидкий металл. Таким образом, здесь отсутствуют свободно падающие струи металла. Распределительная коробка 4 подвешена к литейному желобу 1, это не затрудняет смазку кристаллизатора. Подача металла регулируется стопором 6. Перегородки 7 служат для задержания пены.

В 1948 г. Гольвег отметил, что при существующих способах непрерывного литья равномерная подача металла в кристаллизатор зависит от умения рабочего; температуру металла, попадающего в кристаллизатор, почти невозможно поддерживать одинаковой; при подачи металла возможен захват окислов и других загрязнений и попадание их в слиток. Он предложил такое приспособление для подачи металла, особенно магниевых сплавов, которое позволяет отделять и удалять имеющиеся включения, не прерывая литья (рис. 1667). Металл подается в миксер-отстойник 1; подача производится таким образом, что уровень металла поддерживается постоянным. По колену 2 металл перетекает в кристаллизатор 3. Затвердевающий слиток под действием металлостатического давления выталкивается кверху. Сечение кристаллизатора и, следовательно, слитка не должно превышать сечение колена 2. Так как движение расплава в отстойнике 1 очень медленное, все загрязнения собираются на коническом дне 4, откуда они периодически удаляются. Слиток разрезается пилой 5.

На рис. 1668 изображена установка, на которой слиток вытягивается вниз.

На рис. 1669 представлена установка германской фирмы для одновременной отливки нескольких слитков из магния и его сплавов. Из тигля 1 металл переливается в миксер 2, имеющий крышку Миксер обогревается горелками 5. Металл защищается двуокисью серы. На дне миксера имеются насадки 4, вплотную примыкающие к кристаллизаторам 6. Таким образом, металл в кристаллизаторы подается под одинаковым давлением и в одинаковых тепловых условиях, вне зависимости от квалификации рабочего. Необходимо лишь доливкой поддерживать уровень металла в определенных пределах.

Струя металла подается между перегородками 7, где задерживаются окислы. Насадки 4 имеют края, приподнятые выше дна миксера, что позволяет удерживать осевшие загрязнения.

Лейпцигская фирма в 1944 г. ввела у себя специальное устройство для задержания взвешенных включений при непрерывном литье магниевых сплавов.

Фирма Otto Fuchs KG в 1950 г. производила литье магниевых сплавов по следующей схеме (рис. 1670). Расплав из переносного тигля 1 заливается в тигель-отстойник 2, находящийся в печи 3. После достижения необходимого уровня начинается истечение металла из носка 4 по желобу 5 в кристаллизатор 6. Металл в тигле-отстойнике 2 присыпается обычным флюсом. Перегородки 7 и 8 служат для задержания флюса. Они погружены в расплав настолько, чтобы движение металла в тигле-отстойнике не препятствовало осаждению загрязнений. От тигля-отстойника может отходить несколько желобов соответственно числу кристаллизаторов.

Обычная защита магниевых сплавов от возгорания с помощью серы в условиях непрерывного литья связана с особыми трудностями. На рабочей поверхности кристаллизатора образуется налет из серы и смазки, который замедляет отвод тепла и может даже быть причиной прорыва жидкого металла. На поверхности слитков при избытке серы появляются черные пятна. Наконец, атмосферу двуокиси серы удобно создавать над желобом, но не над металлом в кристаллизаторе, так как это затрудняет наблюдение за зеркалом металла.

Загораемость магниевых сплавов резко уменьшается в случае присадки 0,005—0,5% Be, однако при этом образуется грубокристаллическая структура, для обратного измельчения которой необходимы соответствующие добавки циркония. На таком металле образуются выпоты, обогащенные алюминием.

В 1943 г. I. G. Farbenindustrie AG начала вводить в магниевые сплавы 0,002—0,004% Be для уменьшения загорания жидкого металла в кристаллизаторе. Атмосфера двуокиси в этом случае не нужна. В то же время столь малое количество бериллия не вызывает огрубления структуры, так что в добавках циркония необходимости не было.