29.03.2018

Способы литья медных сплавов с движением слитка в вертикальном направлении


Наибольшее развитие получили установки с кристаллизатором, соединенным с печью.

В 1937 г. фирма Chase Brass and Copper Co начала работать по схеме, изображенной на рис. 1677. На поверхности жидкого металла в печи устанавливался графитовый поплавок, который служит для уменьшения бурления заливаемого металла и уменьшения его окисления. На установке отливали медь и латунь.

Фирма American Smelting and Refining Co в 1936 г. указывала, что непрерывное литье медных сплавов связано со следующими трудностями: возникновение раковин и пор в слитках из-за растворенных газов, неслитины, трещины и прочие поверхностные пороки, обрывы слитка и прорыв металла. Все эти трудности имеют две главные причины, а Именно: наличие растворенных в расплаве газов и трение между слитком и кристаллизатором. Для борьбы с этими нежелательными явлениями необходимы следующие мероприятия:

1. Правильное приготовление расплава.

2. Спокойное поступление металла в кристаллизатор.

3. Минимальное количество жидкого металла в верхней части слитка.

4. Надежная конструкция кристаллизатора, которая требует минимального ухода за рабочей поверхностью.

5. Точное соблюдение допустимых пределов в работе (об этом будет сказано ниже).
Присутствие растворенных газов в металле имеет большее значение для меди, чем для алюминия. Прочность меди вблизи точки плавления очень мала, невелико также и поверхностное натяжение жидкого металла. Если в ходе кристаллизации растворенные газы выделяются из расплава и могут удаляться, то при непрерывном и направленном снизу вверх охлаждении можно получить плотный слиток. Однако оказывается, что в практических условиях такие скорости литья невозможны. Поэтому приходится прибегать к специальной обработке расплава с тем, чтобы при затвердевании выделялось как можно меньше газов. При раскислении расплава уменьшается разъедание стенок кристаллизатора, которые изготавливаются из графита. В результате понижается трение в кристаллизаторе, а это улучшает поверхность слитка.

Было обнаружено, что малая прочность затвердевающего слитка еще более снижается, когда поступление металла в кристаллизатор сопровождается бурлением. Поэтому необходимо, чтобы металл затекал спокойно. При испытании различных устройств для плавной подачи металла выяснилось, что они обязательны в тех случаях, когда расплав заливается в промежуточный металлоприемник, отстоящий на достаточно большом расстоянии от кристаллизатора. Минимальное количество жидкого металла в головной части слитка необходимо из-за низкого поверхностного натяжения расплавленной меди, а также из-за ее малой прочности в момент затвердевания. Если жидкого металла в головной части много, то поверхность слитка получается с наплывами и трещинами и даже может произойти прорыв жидкого металла. Глубина лунки в зависимости от размера слитка должна составлять от 25 до 150 мм. Стенка кристаллизатора должна иметь возможно более чистую поверхность. Материал стенки не должен взаимодействовать с жидкой медью, должен быть максимально плотным и обладать хорошей теплопроводностью. Для этой цели подходит графит высокой плотности с размером частиц 40 u, пористостью не более 20% и величиной пор не более 40 u. Такой графит получают химическим разложением и спеканием под большим давлением со связкой в виде коллоидного графита; его не следует смешивать с обычным плотным графитом. В кристаллизаторе от металла сначала отводится теплота перегрева, и температура падает до точки начала кристаллизации. В слитках между жидкой и твердой зонами образуется промежуточная зона, в которой происходит затвердевание и где выделяется скрытая теплота превращения. Протяженность этой зоны, т. е. расстояние между параллельными плоскостями, ограничивающими ее, называется «глубиной» переходной зоны. При очень строгом соблюдении режима можно отливать здоровые слитки со скоростями, значительно большими, чем те, при которых обеспечивается только продольное охлаждение слитка. Если переходная зона располагается таким образом, что растущие кристаллы направлены в основном под 45° и более к оси слитка и растут они от периферии, то вполне возможно получение здоровых слитков любой длины, так как выделяющийся газ не может быть захвачен кристаллами. При этих условиях фронт кристаллизации имеет V-образную форму. Глубина лунки не должна значительно превышать диаметр слитка. Вообще соблюдение этого «правила диаметра» при непрерывном литье цветных металлов дает хорошие результаты, хотя в случае ненасыщенных газом металлов протяженность лунки может быть несколько большей. Создание надлежащей величины лунки достигается быстрым охлаждением. Скорость литья ограничивается, кроме трения в кристаллизаторе, скоростью отвода тепла.

Необходимо также заметить, что скорость слитка должна изменяться плавно, без рывков, иначе слиток может разорваться.
На рис. 1678 представлена общая схема установки непрерывного литья, на рис. 1679 — кристаллизатор, на рис. 1680 — разрез его по линии AA, на рис. 1681 — кристаллизатор без нижнего охладительного кессона.

Раздаточная печь-миксер 1 имеет перегородку 2, не доходящую до подины. Окно 3 служит для разгрузки и окно 4 — для горелок (не показаны), 5—дымоход. В подине, выложенной углеродистым огнеупором 6, имеется кристаллизатор, состоящий из стакана 7 и кессона 8. Кессон кристаллизатора может подниматься и опускаться с помощью винта 9. Литая заготовка вытягивается валками 10 и наматывается на барабан 11. Кессон кристаллизатора 8 изготовлен из меди; его внутренняя полость, в которую входит стакан 7, сделана конической для лучшего контакта со стаканам. Под кристаллизатором расположен охладительный кессон 12, состоящий из двух половин. Сам кессон медный, прокладки 13 графитовые.

Жидкая медь заливается через окно 3 на слой древесного угля 14. Охлаждение в кристаллизаторе регулируется количеством протекающей по кессону 8 воды или же величиной зазора между стаканом 7 и кессоном 8. Охладительный кессон 12 служит как аварийный на случай прорыва жидкого металла, кроме того, он охлаждает заготовку и тем самым уменьшает ее окисление.

На этой установке получали литую медную заготовку диаметром 25,4 мм. Толщина стенок стакана кристаллизатора 64—25,4 мм. Высота кессона 70 мм. Расход воды 31 л/мин, скорость литья 500 мм/мин. Плотность металла оказалась равной 8,95. Таким же образом можно получать бронзовую заготовку со скоростью 760 мм/мин. В одном опыте была получена заготовка длиной 750 м.

Так как литье может быть прервано в любой момент, отливаемая заготовка всегда получается плотной. Вполне можно начать литье чистой меди, а затем без перерыва перейти на бронзу.

На этой установке с успехом отливали заготовки из самых разнообразных металлов и сплавов: алюминия, оловяннотеллуристой и кремнистотеллуристой бронзы, мельхиора, кремнистой и фосфористой бронзы, сплавов цинк-медь, алюминий-медь.

Внутренняя полость в стакане кристаллизатора при комнатной температуре имеет коническую форму, которая при рабочих условиях переходит в цилиндрическую.
Позже, в 1939 г., фирма American Smelting and Refining Co разработала установку, на которой переплавлялась катодная медь и после дегазации из нее отливалась заготовка, предназначавшаяся для производства проволоки (рис. 1682). Печь имеет две камеры. В камере 1, выложенной углеродистой футеровкой, плавится медь с помощью графитовых нагревательных элементов 2. В печи создается атмосфера азота, который подается по трубке 9. Поскольку жидкая медь соприкасается с углеродистыми материалами, она хорошо дегазируется и освобождается от кислорода. Жидкий металл по трубке 3 перетекает в камеру 5, обогреваемую также графитовыми элементами сопротивления 4. Здесь металл попадает в графитовый металлоприемник 6 и затем в кристаллизатор 7. Газы, выделяющиеся при затвердевании, отсасываются по трубе 8. Все части футеровки, соприкасающиеся с металлом, изготовлены из углеродистых огнеупоров.

Выделяющиеся газы H2, CO, SO2 и пары CuCl удаляются по трубке 10. Установка с печью емкостью 1 т дает 680 кг литой заготовки в час.

В 1942 г. фирма Norddeutsche Affinerie разрабатывала установку для получения слитков из катодной меди. На установке предусматривалась вращающаяся печь, в которой содержание закиси меди в металле снижалось до 0,1—0,2%. Затем металл передавался в восстановительную печь с углеродистой футеровкой, в которую был встроен графитовый кристаллизатор.

Фирма Ampco Metal в 1945 г. ввела на своем заводе в Милуоки (США) непрерывное литье со встроенным в печь кристаллизатором для оловянных и свинцовых бронз.

В 1953 г. фирма American Smelting and Refining Co предложила двухзонный кристаллизатор, в особенности пригодный для меди и ее сплавов. В первой неохлаждаемой зоне кристаллизатора температура выше точки затвердевания. В охлаждаемой зоне температура ниже критической. Кристаллизатор постоянно заполнен металлом. Слиток вытягивается периодически после образования достаточно прочной корки. При образовании корки основная часть теплоты кристаллизации отводится в боковом направлении. Величину и периодичность вытягиваний слитка выбирают таким образом, чтобы корка в основном образовывалась в кристаллизаторе при неподвижном слитке. Промежутки между вытягиваниями должны быть такими, чтобы металл на плоскости раздела охлаждаемой и неохлаждаемой зон оставался полностью жидким. Отвод тепла только в осевом направлении очень мал. Однако он необходим для предупреждения образования наплывов легкоплавких компонентов сплава, а также поверхностных трещин.

При литье сплавов с особенно большим интервалом кристаллизации было обнаружено, что в затвердевшей корке после вытягивания из кристаллизатора могут остаться междендритные каналы, по которым на поверхность вытекает низкоплавкая жидкость и здесь затвердевает. Это вызывает образование грубой поверхности, которая может быть причиной зависания слитка в кристаллизаторе или даже разрушения слитка или кристаллизатора (графитового). Образование наплывов предупреждается перечисленными выше мерами.

Кристаллизатор устанавливают неподвижно и строго вертикально, охлаждаемой зоной книзу. Каждый ход вытягивания не должен превышать 50 мм, лучше всего, если он равен 13—25 мм. Скорость вытягивания должна быть возможно большей.

Появление газовых включений в слитке зависит от условий литья. Жидкий металл не должен оставаться на значительном расстоянии от линии раздела между охлаждаемой и неохлаждаемой зонами. Это расстояние допускается тем большим, чем больше размеры сечения слитка.

Описанный способ может применяться как с независимым, так и с встроенным в печь кристаллизатором. При получении заготовки большого сечения (с меньшим размером более 75 мм) удобнее работать с независимым от печи кристаллизатором.

Кристаллизатор чаще всего изготовляют из графита, особенно для меди и ее сплавов, содержащих олово. В случае, если применяется независимый от печи графитовый кристаллизатор, его внутреннюю и наружную открытую поверхности следует защищать огнеупорной керамикой или газом (азотом или окисью углерода). Нижнюю охлаждаемую часть кристаллизатора изготавливают из меди.

Вместо периодического вытягивания слитка при неподвижном кристаллизаторе может применяться подвижный кристаллизатор, как на установках Юнганса. Во всех случаях скорость вытягивания при периодическом процессе на 20—30% больше, чем при непрерывном.
На рис. 1683 изображен кристаллизатор, встроенный в печь. Он состоит из неохлаждаемой части 1 и охлаждаемой части 2. Охлаждаемая зона простирается выше кессона 3 до линии AA. Эта линия является нижней границей, до которой металл не должен затвердевать. Слиток 4 вытягивается периодически с помощью роликов 5. Уровень металла в печи 6 должен быть выше верхней кромки неохлаждаемой части кристаллизатора 1.

На рис. 1684, представлена схема с независимым от печи кристаллизатором. Вокруг верхней части кристаллизатора установлена обечайка 7. Кольцевой зазор заполнен теплоизоляцией. Стакан 1 может быть изготовлен из огнеупорного материала; применяются также сменные графитовые стаканы.

Преимущества описанных установок можно видеть из следующих примеров.

1. По схеме рис. 1683 отливался слиток диаметром 76 мм из чистой меди. Слиток вытягивался непрерывно со скоростью 235 мм/мин. На поверхности слитка образовывались горизонтальные трещины. Затем было опробовано периодическое вытягивание слитка при неподвижном кристаллизаторе. Отличие состояло также в том, что диаметр слитка во втором случае был равен 100 мм. Периодическое вытягивание велось по следующему правилу. В течение 3 сек. слиток вытягивался на 5 мм и затем 1 сек. был неподвижен. В этом случае слиток имел очень чистую поверхность без трещин.

2. Была опробована отливка полого слитка с наружным диаметром 26,2 мм и внутренним диаметром 12,7 мм из бронзы с 10 % Sn и 2% Zn. Кристаллизатор и стержень графитовые. Наружная часть кристаллизатора охлаждалась снизу, стержень не охлаждался. Сначала отливка велась в неподвижный кристаллизатор непрерывно со скоростью 300 мм/мин. Полученный слиток имел очень грубую поверхность с оловинными выпотами. Такие же результаты были получены на сплошном круглом слитке.

3. По схеме на рис. 1683 отливался слиток диаметром 40 мм из бронзы с 10% Sn. Слиток вытягивался периодически: в течение 2 сек. на 16 мм с последующей остановкой в 2 сек. Поверхность слитка была очень чистой, без ликвационных наплывов.

4. По той же схеме (рис. 1683) отливался слиток диаметром 57 мм из бронзы с 5% Sn и 5% Pb. Непрерывное вытягивание со скоростью 150 мм/мин при неподвижном кристаллизаторе дало слиток с пористой серединой и тонкой центральной усадочной раковиной по всей длине.

5. По схеме рис. 1683 отливался слиток диаметром 57 мм из бронзы с 10% Sn. Периодическое вытягивание (9 мм в течение 3 сек., остановка 1 сек.) позволило получить плотный здоровый слиток.

6. Отливка по схеме рис. 1683. Слиток диаметром 44,5 мм из бронзы 2% Sn, 0,25% Р. При непрерывном вытягивании со скоростью 140 мм/мин поверхность слитка была очень грубая.

7. Условия, как в случае 6. При периодическом вытягивании (17 мм за 3 сек., остановка 1 сек.) на слитках получена чистая поверхность. Средняя скорость литья при этом на 42 % больше, чем в предыдущем случае.
Фирма Wieland-Werke AG в 1955—1956 гг. начала применять для меди и медных сплавов кристаллизаторы с графитовыми вставками (рис. 1685 и 1686). 1 — графитовая вставка, 2 — медная рубашка, 3 — кессон. Вода подводится по касательной по трубе 4 и выходит из кристаллизатора по кольцевому зазору 5. Дальше она стекает вниз по слитку и попадает в водоприемник 6, в дне которого имеется уплотнительное резиновое кольцо для прохода слитка. Таким образом, слиток не соприкасается с воздухом до выхода из водоприемника. На установке предусмотрен механизм возвратно-поступательного движения кристаллизатора.

Ниже дается описание отдельных опытов, по которым можно уяснить характер работы этой установки.

1. Внешний диаметр графитовой вставки 220,88 мм внутренний — 206,3 мм. Внутренний диаметр медной рубашки 220,35 мм, внешний — 228,65 мм. Рубашка подогревается до 200—300° и тогда графитовая вставка входит в нее свободно и при охлаждении надежно захватывается. Об этом говорит то, что внешний диаметр рубашки после охлаждения увеличивается на 0,05 мм, а внутренний диаметр графитовой вставки уменьшается на 0,45 мм. После насадки внутренняя поверхность вставки дополнительно не обрабатывается. На таком кристаллизаторе получаются слитки диаметром 203 мм.

2. На кристаллизаторе, который имел высоту 250 мм и был описан выше, отливались слитки из меди с непрерывным вытягиванием. Металл подавался в кристаллизатор по трубке с внутренним диаметром 5,5 мм. Кристаллизатор совершал возвратно-поступательное движение с шагом 4 мм и частотой 60 раз в минуту. Температура воды в кессоне 28°.

Уровень металла располагался на 25 мм от верхней кромки кристаллизатора. Затвердевшая корка почти выходила на поверхность металла. Производительность процесса 2 т/час. Поверхность слитков оказалась столь чистой, что практически вода не проникала через уплотнение 7 и оно не изнашивалось.

3. На кристаллизаторе высотой 254 мм, изображенном на рис. 1685 и описанном в п. 1, отливалась фосфористая медь. Условия литья такие же, как в п. 2. Металл подавался по трубке диаметром 5,1 мм. Зеркало металла в кристаллизаторе присыпали чешуйчатым графитом. Наивысшая температура графитовой вставки была 760°.

4. В тех же условиях, как и в п. 3, отливалась медь. Диаметр трубки, подающей металл, был равен 17,6 мм. Наибольшая температура графитовой вставки не превышала 600°.

В обоих последних случаях поверхность слитков получалась очень чистой. Толщина стенок графитовой вставки равна 2—3 мм при внутреннем диаметре до 75 мм и 7 мм при внутреннем диаметре до 250 мм.





Яндекс.Метрика