Первичная переработка алюминия-сырца

 

После шихтовки металл из ковшей переливается в миксеры. Заливку металла производят через карманы миксера. После заполнения миксера поверхность металла обрабатывается флюсом из расчёта 1 кг на тонну жидкого металла. Флюс равномерно рассыпают по поверхности металла и после небольшой выдержки с поверхности снимают шлак. Далее металл разливается в небольшие чушки или Т-образные слитки, предназначенные для повторной переплавки потребителем, либо в слитки для дальнейшего использования (протяжка, прокат т.д.) без повторной переплавки. Выпуск более дорогих по стоимости полуфабрикатов позволяет алюминиевому заводу улучшить экономические показатели производства.

Большая часть алюминия производится в виде переплавляемых видов изделий (небольших чушек и Т-образных слитков). Как правило, это не означает, что предприятие не готово к более глубокой переработке первичного металла. Однако известно, что большинство потребителей стремится получить первичный алюминий в чушках и самостоятельно подготовить металл с учётом специфики собственного производства. Тем не менее, производство полуфабрикатов, т.е. изделий не подлежащих повторной переплавке, постоянно возрастает.

С целью получения товарного металла на алюминиевых заводах используются следующие способы литья:

1. Наполнительное литьё малогабаритных чушек массой 15,0-22,5 кг из технического алюминия (марок А8, А7, А6, А5 по ГОСТ 11069) и литейных сплавов на его основе типа алюминий-кремний (например, силумин, сплав А356.2 и др.).

2. Полунепрерывное литьё крупных Т-образных слитков для повторной переплавки, а также плоских и цилиндрических слитков (1ххх, 6ххх, 5ххх по системе АSTM, США), которые без повторной переплавки направляются потребителю для дальнейшей механической обработки.

3. Совмещённое литьё-прокатка. По этой технологии жидкий металл подаётся на кристаллизатор литейного устройства (литейное колесо или валки), которое превращает жидкий металл в твёрдую заготовку заданной геометрии. В ходе дальнейшего технологического процесса в этом же комплексе заготовка подвергается пластической обработке с получением катанки диаметром от 9 до 24 мм, листа толщиной до 20 мм, шириной до 2000 мм в виде рулона и др. Рулонная заготовка в последующем используется в станах холодной прокатки для придания готовому листу требуемых по толщине размеров.

Рассмотрим эти способы литья более подробно.

 

Наполнительное литьё

Этот способ литья применяется на алюминиевых заводах для получения товарного продукта в виде мелких чушек из технического алюминия и сплавов на его основе.

Отливка малогабаритных чушек осуществляется на агрегатах в составе миксера с электрическим обогревом вместимостью 15-30т и одного или двух конвейеров производительностью 4-7т/ч каждый. Разливочный конвейер устанавливается рядом с раздаточным миксером.

Температура литья устанавливается в пределах 680-740ºС. Из лётки миксера струя металла поступает через поворотный лоток в движущуюся изложницу разливочного конвейера. После заполнения изложницы с поверхности жидкого металла стальной лопаткой снимают окисную плёнку, а лоток перемещается на следующую изложницу. Готовые чушки маркируются с указанием товарного знака, номера миксера, номера плавки и номера пакета.

После опрокидывания изложницы чушка разгружается и поступают на приёмное устройство машины для механизированной укладки их в штабели. Если чушки получаются с открытой усадочной раковиной, то литьё прекращается, а металл подвергается дополнительному отстою. Бракованные чушки переплавляются в ковшах или миксере.

Геометрия чушек рассчитана таким образом, что при укладке их в штабель последний получает устойчивость против развала за счёт сцепления выступов и углублений в каждой укладываемой чушке. Для большей устойчивости при транспортировке штабель обвязывается стальной лентой или алюминиевой катанкой с помощью специального приспособления.

 

Полунепрерывное литьё габаритных слитков

Этим способом производят слитки из алюминия и деформируемых сплавов для последующей механической обработки без повторной переплавки. Установки для полунепрерывного литья состоят из электрических стационарных или поворотных миксеров различной вместимости по жидкому алюминию (от 30 до 120 т) и литейной машины для литья одного или одновременного нескольких слитков. МГД-перемешиватель, установленный в специальное гнездо миксера, обеспечивает перемешивание и усреднение металла под воздействием бегущего магнитного поля.

Участок оснащается дисковой или ленточной пилой для резки охлажденных слитков на мерные части, а также оборудованием для их упаковки, маркировки и штабелирования. Готовые слитки отправляются для дальнейшей переработки заказчику. Принципиальная схема литейной машины полунепрерывного литья показана на рис 10.1. Литейная машина имеет следующие основные узлы:

- установка рафинирования металла (ПАЛ, СНИФ или аналогичная система), предназначенная для рафинирования алюминия от натрия, водорода и неметаллических включений;

        - камера фильтрации с пенокерамическим фильтром, вставленным в металлотракт распределительного желоба;

- система охлаждения кристаллизатора водой;

- установка подачи лигатурного прутка, предназначенная для непрерывного и плавного введения прутковой лигатуры в расплав для модифицирования кристаллической структуры слитков;

- литейный стол, на который крепится коллектор с кристаллизаторами;

- платформа с поддонами;

- система привода платформы (цепная, тросовая, гидравлическая);

- пульт управления.

Литейная машина должна быть снабжена средствами измерения скорости литья, длины отливаемых слитков, давления (расхода) воды.

Металл из миксера после прохождения системы очистки поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор, где охлаждается и затвердевает. Кристаллизатор подпирается снизу поддоном, который по мере затвердевания слитка равномерно опускается вниз с помощью цепного или гидравлического привода. Слиток непрерывно наращивается по высоте. При достижении заданной высоты слитка подача металла в кристаллизатор прекращается и готовый слиток извлекается из литейного устройства.

 

Рис. 10.1. Машина полунепрерывного  литья больших слитков

 

На рис. 10.2 приведена схема литейной машины с цепным приводом, предназначенная для отливки одного или нескольких слитков длиной 5,1м.

Плита поддона передвигается с помощью цепной передачи. Поддон опускается строго вертикально, вместе с поддоном опускаются и затвердевшие слитки, образовавшиеся в кристаллизаторах.

Сечение слитка (плоский, квадратный или круглый) определяется геометрией водоохлаждаемого кристаллизатора, изготовленного из меди или другого теплопроводящего материала. Через стенку кристаллизатора передаются значительные тепловые потоки от расплавленного металла к охлаждающей воде, что обеспечивает эффективное охлаждение слитка.

При литье нескольких слитков с использованием одной лётки металл попадает в распределительную литейную чашу, а затем через раздельные носки подаётся в кристаллизаторы под зеркало металла. Для уменьшения загрязненности поверхности металла желательно отливать каждый слиток из отдельной раздаточной втулки (стакана). Это целесообразно делать при литье крупных слитков. Во всех случаях нужно стремиться максимально сократить расстояние от лётки до кристаллизатора.

 

Рис. 10.2 Литейная машина с цепным приводом:

1 -привод; 2 -цепь; 3 -плита для установки кристаллизатора;

4 -опускающийся поддон; 5 -направляющие

 

Для уменьшения дефектов литья слитков большое значение имеет поддержание постоянного уровня расплава в кристаллизаторе. Регулировка его производится вручную или более точно автоматически. Существует несколько способов автоматического регулирования уровня металла.

 На рис. 10.3 показана схема системы регулирования уровня расплава в кристаллизаторе с помощью поплавка, хорошо зарекомендовавшей себя при литье слитков большого и среднего сечений. Уровень металла в кристаллизаторах не должен доходить до верхней его кромки на 30-40мм, что обеспечивает затопление нижней части носков на 10-15мм. Поверхность металла в кристаллизаторе поддерживается чистой, без шлака. Недопустимо нарушение целостности оксидной плёнки на поверхности металла. Плёнка должна непрерывно двигаться от центра к периферии. Для уменьшения смачивания поверхности носков и поплавков металлом их перед началом литья припудривают криолитом. На пути от лётки до кристаллизатора не допускается большой перепад и бурление металла.

 

Рис. 10.3. Система регулирования уровня металла для литья слитков   1 -исполнительный механизм; 2 -лёточное отверстие; 3 -кристаллизатор; 4 -датчик

 

Скорость литья слитков должна быть в пределах

45-60 мм/мин при температуре металла в миксере порядка 700ºС. Правильно организованная подача металла из миксера в кристаллизатор имеет большое значение для получения качественного слитка. При нарушении технологии качество слитка ухудшается вследствие попадания в него окисных плёнок с поверхности металла.

 При достижении заданной высоты слитка, которую контролируют специальным датчиком, лётку закрывают и подачу металла прекращают. Охлаждение кристаллизатора водой прекращают после окончания поступления в него металла и полного затвердевания отливки. Слитки опускают ниже кристаллизаторов так, чтобы была возможность свободного их извлечения. После высвобождения слитка его с помощью захвата и подъёмного механизма извлекают и вывозят к месту дальнейшей обработки.

Слиток обрезается дисковой или циркулярной пилой с донного и литникового торцов и далее разрезается на отдельные секции, готовые к прокату. По такой же технологии выпускаются слитки прямоугольной формы. Высота обрезаемой части с нижнего конца слитка должна быть в пределах 300-500мм, что гарантирует удаление той части слитка, которая образовалась в начале процесса и имела не устоявшуюся кристаллическую структуру. Высота верхнего обреза существенно меньше и имеет целью удалить усадочную часть слитка, образующуюся на выходе из кристаллизатора при завершении литья.

Обязательным условием производства следует считать получение слитка, свободного от дефектов структуры, однородного по химическому составу, с одинаковыми механическими и физическими свойствами по всему объёму изделия. Структура твёрдого изделия после затвердевания расплава показана на нескольких примерах (рис. 10.4).

Структура может быть представлена столбчатыми кристаллами, которые начинают расти от стенки кристаллизатора и протягиваются вглубь до центра слитка (рис. 10.4 а). Однако наиболее желательна структура, когда сплавы затвердевают с образованием мелких однородных кристаллов (рис 10.4 б.). Разноосные зёрна этих кристаллов имеют случайную ориентировку и одинаковые размеры во всех направлениях. Это способствует образованию однородного (гомогенного) по химическому составу и физическим свойствам материала.

 

Рис. 10. 4. Тип структуры слитков: а – столбчатые кристаллы; б – равноосные кристаллы

 

Слитки с мелкозернистой структурой (см. рис.10.4, б) обладают рядом других преимуществ по сравнению со слитками с крупнокристаллической структурой (см. рис 10.4, а), в том числе:

- имеют более высокие пределы прочности и удлинения, что положительно сказывается на процессе пластической деформации;

- менее склонны к образованию трещин при затвердевании, поэтому литьё можно вести на повышенных скоростях;

- имеют более высокие механические свойства и повышенную плотность.

Эффект измельчения зерна достигается модифицированием сплава небольшими добавками тугоплавких металлических соединений, например диборида титана TiB₂. Для получения требуемого измельчения зерна необходимо равномерное распределение частиц образующихся интерметаллидов тугоплавких металлов по объёму модифицируемого сплава.

Дефекты, образующиеся как на поверхности, так и внутри слитков, можно разделить на две группы. Первая из них – это поверхностные дефекты. К ним относятся дефекты геометрии слитка, точечные и штриховые выступы и раковины на поверхности слитка, продольные складки. Вторая – это пористость, оксидные и твёрдые неметаллические включения (грубые включения в виде шлака и мелкодисперсных частиц оксидной плёнки).

 Для удовлетворения повышенных требований к качеству слитков применяют кристаллизаторы новых поколений. Один из них базируется на использовании так называемого принципа «Айр-Слип», основанного на создании газовой прослойки между стенкой кристаллизатора и жидким металлом, что даёт возможность избежать прямого контакта металла и стенки кристаллизатора. Это позволяет получить улучшенное качество поверхности слитка, без задиров и раковин.

Возможно применение литья слитков в электромагнитном поле. Жидкий металл в кристаллизаторе подвергается воздействию пульсирующего электромагнитного поля индуктора. При этом он испытывает силовое воздействие, возникающее в результате взаимодействия вихревых токов, наведенных в металле, с полем индуктора. Процесс литья сводится к формированию жидкой зоны, имеющей в поперечном сечении форму слитка. Масса жидкого металла удерживается от растекания электромагнитными силами, не образует прямого контакта со стенкой кристаллизатора, непрерывно затвердевает и отводится вниз. На границе раздела твердой и жидкой областей в кристаллизаторе образуется фронт кристаллизации, где в результате интенсивного электромагнитного перемешивания формируется мелкодисперсная структура слитка.

Начиная с 90-х годов, при литье слитков из технического алюминия и сплавов стали применять поворотные электрические миксеры вместимостью 60-100 т и более жидкого металла и гидравлические вертикальные литейные машины мощностью до 100т, с помощью которых можно за один цикл слить весь приготовленный в миксере металл.

Преимуществом поворотного миксера можно считать возможность поддерживать постоянный уровень металла в литейном желобе. Контроль уровня производится с помощью фотометрического датчика, установленного над желобом. По сигналу, поступающему от датчика, осуществляется автоматизированное управление поворотом миксера и дозированная подача жидкого металла в литейный желоб. В ячейках желоба устанавливаются пористые керамические фильтры для улавливания неметаллических включений. На предприятиях с большим объёмом литейного производства используются мощные литейные комплексы, оснащённые оборудованием для подготовки металла к литью и автоматизированной системой управления, как показано на рис. 10.5.

 

Рис. 10.5. Современный литейный комплекс большой мощности.

 

Всё изложенное выше позволяет получать габаритные слитки повышенного качества, соответствующие следующим нормативным документам:

ГОСТ-9498 - слитки алюминиевые плоские для проката;

ГОСТ-23855 - слитки цилиндрические из алюминиевого

                                 сплава АД31;

ГОСТ-19437 - слитки алюминиевые цилиндрические;

 

ГОСТ-4784 - алюминий и алюминиевые сплавы

                              деформируемые,

а также специальным техническим условиям по контрактам, заключаемым с отечественными и зарубежными фирмами.

Методы контроля качества полученных изделий заключаются в определении кристаллической структуры слитка, количественном определении неметаллических примесей и в обнаружении связанных с ними дефектов. Применяемые методы контроля позволяют обнаружить как наружные, так и внутренние дефекты в слитках и изделиях. Внутренние дефекты в изделиях могут быть выявлены после механической или электрохимической обработки срезов слитков. Степень выявления дефектов при микроконтроле можно повысить, применяя травители. Дополнительную информацию по качеству и структуре слитков и изделий даёт анализ излома темплетов.

 

Литьё крупногабаритных переплавляемых слитков

Отливка переплавляемых Т-образных слитков производится на агрегатах в составе миксера и машины полунепрерывного литья. Исходным материалом для производства Т-образных чушек является первичный алюминий и его сплавы. Металл из лётки миксера по желобу и через систему фильтрации подается в кристаллизатор литейной машины. Подачу металла из миксера регулируют перекрытием лётки с помощью стальной пики с мягкой обмоткой на конце. Температура металла в миксере поддерживается в пределах 690-730ºС. Другие операции по литью габаритных Т-образных слитков аналогичны представленным в предыдущем разделе операциям полунепрерывного литья.

Требования, предъявляемые к технологии получения переплавляемых слитков, не столь жесткие, как для не переплавляемых видов. Однако в части химического состава, наличия неметаллических включений и газа, усадочных раковин и других дефектов, они лимитируются условиями конкретных договоров и контрактов.

 

Совмещенные процессы литья-прокатки

Этим способом получают готовые профили, полосы, катанку и другие изделия с малым сечением и большой длинной. Сущность совмещённого процесса литья и прокатки заключается в формировании из жидкого металла непрерывной заготовки в движущемся кристаллизаторе с последующим совмещённым прокатом её в этом же агрегате до изделия малого сечения.

Большое распространение на алюминиевых заводах получило производство алюминиевой катанки – исходного прутка для производства электротехнического провода. Машина для непрерывного литья и проката катанки (НЛП-АК) в составе миксера, литейного агрегата, машины бесслитковой прокатки, летучих ножниц и наматывающей машины схематически показана на рис. 10.6.

Рис. 10.6. Схема машины непрерывного литья и проката алюминиевой катанки

 

Технологические операции на агрегате НЛП-АК выполняются в следующей последовательности. Металл из миксера 1 поступает на установку рафинирования металла (ПАЛ, СНИФ или аналогичную другую), где производится рафинирование алюминия от натрия, водорода и неметаллических включений. Далее через систему желобов и камеру фильтрации алюминий поступает в медный дисковый кристаллизатор 2, где по мере вращения литейного колеса непрерывно формируется заготовка 3. Далее заготовка поступает в прокатный стан с редукторами и клетями 4, оснащенными роликовыми протяжными устройствами, калиброванными с таким расчетом,

чтобы после каждой клети диаметр заготовки снижался до заданного значения.

Из последней клети выходит готовая катанка со стандартным диаметром, например 9,2мм. Катанка поступает на наматывающее устройство карусельного типа (моталку) 5 с двумя шпулями. После заполнения одной бухты катанка обрезается с помощью летучих ножниц, установленных перед моталкой, а выходящий из последней клети конец автоматически перекидывается на другую шпулю для намотки следующей бухты.

На рис. 10.7 показана более детальная схема литейной части агрегата НЛП-АК. Основу её составляет водоохлаждаемое литейное колесо 7, по внешнему ободу которого располагается собственно желоб-кристаллизатор. Рабочая лента 3 обжимает литейное колесо и создаёт пространство для кристаллизации жидкого металла. Усилие натяжения ленты создаётся пружинным устройством.

Рис. 10.7. Схема литейной машины агрегата НЛП-АК   1 -холостой шкив; 2 -направляющий щиток; 3 -рабочая лента; 4- металлоприёмник; 5 -дозатор; 6 -отводящая труба; 7 -литейное колесо

 

Узел подачи металла в кристаллизатор состоит из металлоприёмника 4 и дозатора 5 с регулируемым положением его относительно точки ввода жидкого металла. Кристаллизующаяся заготовка перемещается по кругу вместе с литейным колесом 7 и по направляющему щитку 2, затем выходит на рабочую траекторию по оси установки прокатных клетей.

Прокатные станы, устанавливаемые на агрегатах НЛП-АК, имеют в своём составе 13 и 17 клетей. Клети станов – преимущественно трёхвалковые с расположением валков под 120º один к другому. Валки имеют групповой привод. Калибровка валков выполняется по схеме: в первых клетях треугольник-шестигранник, в последних - треугольник-круг.

Впервые процесс непрерывного литья-проката появился в Италии на установках «Проперци», названных в честь их разработчика Иларио Проперци. На заводах России этот способ изготовления катанки нашёл широкое распространение и в целом удовлетворяет потребности электротехнической промышленности в получении заготовки для электрических проводов, заменив сложный процесс горячей прокатки вайербарсов сечением 100х100 мм, отливаемых ранее на алюминиевых заводах. Крупнейший в России изготовитель катанки – Иркутский алюминиевый завод.

Катанка изготавливается из алюминия марок А7Е и A5E, химический состав которых соответствует ГОСТ 13843, и из сплава АВЕ, ГОСТ 20967.

Катанку выпускают следующих марок:

АКЛМ-П - мягкая;

АКЛП-ПМ – полутвёрдая;

АКЛП-Т1, АКЛП-Т2, АКЛП-Т3 – твёрдая.

Идет освоение других современных процессов литья и прокатки, включая прокат широких полос из алюминия на системах Хантера и Хазелета, а также узких полос из алюминия на машинах роторного типа. Процессы непрерывного литья-прокатки получили широкое распространение и в зарубежной промышленности.

 

Сплавы на основе алюминия

 

На алюминиевых заводах выпускается довольно большой перечень сплавов на основе алюминия, имеющих достаточно разнообразные физико-механические свойства. Для производства сплавов в алюминий вводятся легирующие присадки – специально подобранные металлы, активно воздействующие на его свойства. Легирующие металлы хорошо растворяются в алюминии, если они близки к нему по положению в Периодической таблице Менделеева и имеют сходное строение внешних электронных оболочек атомов.

Хорошей растворимостью в алюминии обладают кремний, магний, цинк, медь и литий. Если металлы резко отличаются от алюминия по температуре плавления (железо, бериллий и др.), то их растворение идёт медленнее и требует большого перегрева расплава. Если воздействуют оба фактора (температура плавления и различное строение оболочек), то растворение идёт ещё медленнее (титан, цирконий и др.).

Механизм растворения металлической присадки в сплаве происходит в две стадии и заключается в разрушении кристаллической решетки металла и переходе его атомов в жидкий расплав. На первой, кинетической стадии, происходит разрыв связей атомов в кристаллической решётке твёрдого металла и образование новых связей с атомами жидкого металла. На второй, диффузионной стадии, растворённые атомы металла проникают через пограничный слой в объём расплава.

Все сплавы можно разделить на три группы:

   1. Литейные сплавы, предназначенные для фасонного литья.

   2. Деформируемые сплавы, направляемые в последующем на прокат, штамповку, протяжку и т.д.

   3. Сплавы, получаемые методами порошковой металлургии; эти сплавы на алюминиевых заводах практически не производятся.

 

Литейные алюминиевые сплавы

Сплавы, относящиеся к этой группе, обладают хорошей текучестью в расплавленном состоянии, небольшой усадкой, не склонны к образованию трещин. Наиболее известными сплавами этой группы можно считать силумины (см. табл. 10.2).

 

   Таблица 10.2

Химический состав силуминов, % (max) *

 

Марка	Al	Si	Fe	Mn	Ti
АК12ч (СИЛ-1)	Основа	10-13	0,50	0,40	0,13
АК-12пч (СИЛ-0)	«	10-13	0,35	0,08	0,08
АК12оч (СИЛ-00)	«	10-13	0,20	0,03	0,03
АК12ж (СИЛ-2)	«	10-13	0,7	0,5	0.20

*Cодержание Cu менее 0,1%

          

            Как видно в табл. 10.2, основу силуминов составляют кремний и алюминий. Производство этих сплавов производится путём плавлении кускового кристаллического кремния фракции менее

100мм в жидком алюминии. Куски менее 5мм желательно отсеять, т.к. они легко шлакуются и теряются как сырьё для производства сплава.

 Приготовление силумина начинают с подготовки печи, которая предварительно прогревается и в неё заливается жидкий алюминий. После небольшого отстаивания с поверхности металла снимают всплывший шлак, после чего загружают сухой дроблёный металлический кремний в расчётном количестве. Печь переводится в режим расплавления.

Приготовление силумина можно производить как в индукционной печи, так и в спаренном миксере. В последнем случае кусковой кремний загружают через люк в своде миксера, а жидкий алюминий заливают через карман миксера. После полного растворения кремния и интенсивного перемешивания расплава шумовкой с его поверхности снимают шлак и отбирают пробу на экспресс-анализ для определения содержания кремния и железа. Если обнаруживается недостаток кремния, то производят подшихтовку кремния до требуемого состава и анализ повторяют.

 Для очистки сплава от неметаллических примесей в миксер вводят флюс из расчёта 1кг на 1т жидкого сплава. Флюс равномерно разбрасывают по поверхности расплава. После выдержки в течение 4-5 мин снимают шлак. В процессе флюсования и отстоя температуру расплава в миксере выдерживают в интервале 660-730ºС. Продолжительность отстаивания при приготовлении силумина составляет не менее 30 мин.

 После растворения кремния готовый сплав переливают в раздаточный миксер. Разливку сплава из миксера производят с использованием пенокерамических фильтров. Температура разливки 680-720ºС. Разливка при более низкой температуре приводит к образованию раковин на поверхности чушек. При завышении температуры разливки повышается пористость сплава и содержание в нём газа.

После завершения разливки всей партии производится выборочная проверка структуры на излом не менее чем на двух чушках. В изломе не должно быть шлаковых и других включений. Допускается наличие в изломе вторично выделенных кристаллов избыточного кремния.

На большинстве предприятий участки получения силумина оснащаются МГД-устройствами для ускорения перемешивания и растворения кремния, а также других легирующих элементов. Производительность литейных агрегатов в таких случаях существенно возрастает.

Магнитогидродинамические устройства для перемешивания расплава работают по принципу линейного электродвигателя. Внизу и сбоку печи располагается обмотка, которая при подаче электрического питания генерирует бегущее магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля и наведенного им тока возникает движение металла.

По расположению индуктора МГД-устройства по отношению к ванне с жидким металлом можно выделить 3 способа перемешивания: насосный, канальный и бесканальный. Канальные МГД- перемешиватели показали хорошие результаты по усреднению химического состава и температуры в печах литейных отделений

БрАЗа, КрАЗа и других заводов.

 Если готовятся многокомпонентные силумины типа АК9пч, АК9ч и др., то в предварительно разогретую печь загружают расчётное количество меди, никеля, титана и заливают в необходимом количестве жидкий алюминий. Затем загружают необходимое количество кремния. При помощи дырчатого короба или шумовкой под зеркало расплава вводят расчётное количество магния. После загрузки магния расплав подогревают и интенсивно перемешивают до полного растворения всех присадок.

От полученного сплава отбирается проба на химический анализ. При получении удовлетворительного результата, соответствующего требованиям стандарта, готовый сплав переливают в чистый литейный ковш, в который предварительно загружен флюс в количестве 1-2кг в расчёте на 1т сплава. После выдержки до 10 минут в ковше с поверхности расплава снимают шлак, а сплав переливают в миксер для разливки на чушки.

Сплавы поршневой группы готовят в индукционных печах с последующей продувкой готового сплава азотом и отливкой чушек через раздаточный миксер. В очищенную от шлака печь загружают расчётное количество никеля и заливают расплавом алюминия сорта А8. Печь подогревают и загружают заданное количество кристаллического кремния и меди. После их растворения вводят 10-процентную лигатуру алюминий-ванадий, прессованные таблетки алюминий-цирконий с содержанием циркония 85% и фосфорную медь. Далее печь подогревают и при помощи дырчатого короба под «зеркало» расплава вводят расчётное количество металлического магния.

После промешивания, отбора проб на экспресс-анализ и корректировки состава на поверхность расплава подают смесь флюса с солью фтористого алюминия. Когда сплав готов, с поверхности снимают шлак и расплав в течение 20 минут продувают азотом. После повторного снятия шлака сплав переливают в разливочный миксер для последующей разливки в чушки. Отливку производят через пенокерамический фильтр при температуре 750-800ºС.

 

Деформируемые алюминиевые сплавы

  Сплавы этой группы содержат меньшее количество добавок, чем литейные. Для их приготовления используются более высокие сорта алюминия-сырца. Легирующие элементы Mg, Zn, Cu вводятся в виде чистых металлов; Mn, V, Ti, Fe – в виде лигатур. Производство сплавов этой группы требует повышенного внимания, т.к. в процессе плавки они легко окисляются, насыщаются газами и неметаллическими примесями. Готовый к литью металл подвергают рафинированию продувкой инертными газами или смесью активного газа с инертным (хлор-аргон или хлор-азот).

Для устранения неметаллических примесей и включений в процессе литья применяют фильтрование сплава через сетчатый, кусковой, пенокерамический или жидкий фильтр. Повышение эффективности очистки достигается при использовании флюсов из cмеси солей CaF₂, MgF₂, NaCl и др.

Сплавы этой группы используются непосредственно на алюминиевых заводах для производства не переплавляемых видов изделий. К ним относятся:

- плоские слитки больших сечений (например, 420х1240мм и др.) для проката листа; производство ведётся полунепрерывным методом в кристаллизаторы скольжения на МПЛ с различными видами привода;

- слитки сечением 100х100 мм из алюминия марки А5е – для производства электрического провода, марки АБЕ6061 - для кабельной промышленности;

- цилиндрические слитки различных диаметров (от 145 до 298мм) из алюминия марки А7 для кабельной промышленности и др.;

- катанка на основе сплава АВЕ.

 

Добавляя в сплав различные модифицирующие добавки, можно улучшить свойства сплава. Модифицирование означает воздействие на механизм формирования кристаллической структуры на стадии зарождения кристаллитов в жидком металле. Например, модифицирование титаном, стронцием, натрием приводит к измельчению структурного зерна и получению отлитых деталей с повышенной плотностью. Модифицирование магнием позволяет упрочить сплав после термической обработки, марганец нейтрализует вредное воздействие железа.

 

Лигатуры

Лигатурой называют промежуточный сплав, содержащий в достаточно большом количестве легирующий металл, используемый для более облегчённого введения этого элемента в получаемый сплав. Необходимость применения лигатур обусловлена малой скоростью растворения тугоплавких и слаборастворимых металлов в жидком алюминии в чистом виде, а также повышением степени усвоения легко окисляющихся компонентов. В большинстве лигатур легирующий элемент находится в виде кристаллов интерметаллических соединений.

Для лигатуры характерна более низкая температура плавления, чем тугоплавкого компонента. Это позволяет ввести в состав сплава тугоплавкий металл при более низкой температуре, избежать угара и снизить энергетические затраты. Более того, некоторые легирующие элементы невозможно ввести в сплав напрямую, без использования лигатуры.

Модифицирующие лигатуры можно разделить на два типа. К первому относятся лигатуры, содержащие двойные интерметаллиды-алюминиды (Al-Ti, Al-Zr и др.), ко второму – лигатуры с тройными интерметаллидами (Al-Ti-B, Al-Sc-B, Al-Ti-C и др.).

Лигатуры первого типа применяются для легирования сплавов тугоплавкими металлами, но одновременно они оказывают модифицирующее воздействие на расплав, т.е. на формирование кристаллической структуры на стадии жидких кристаллитов. Лигатуры второго типа применяют только для модифицирования расплава, т.е. для регулирования размера зерна.

Лигатуры вводятся в расплавы в жидком или твердом виде. В последнем случае это чушки, прутки, гранулы. Также эффективно вводить лигатуру в виде порошков или мерных отформованных заготовок – брикетов или таблеток, содержащих в своём составе добавки титана, бора и других элементов. Применение жидкой лигатуры облегчает процесс введения и усреднения легирующих элементов в расплаве.

Основные легирующие элементы по характеру влияния на свойства алюминиевых сплавов можно разделить на три группы:

1. Cu, Si, Мg, Zn растворяются в алюминии в большом количестве и образуют эвтектики с высоким содержанием легирующего компонента. Их можно вводить в сплав в большом количестве (Cu, Мg, Zn - до 15% каждого, Si – до 20% и более). Эти элементы оказывают сильное воздействие на свойства сплавов.

2. Mn, Ni, Cr, Co в твёрдом состоянии плохо растворяются в алюминии, но образуют с ним ряд химических соединений, которые упрочняют сплав. Сюда же относится железо, которое является вредной примесью для большинства сплавов, но в некоторые сплавы добавляется для повышения жаропрочности. Элементы этой группы вносятся в сплавы в количестве не более 1-3%.

3. Ti, Na, Ce, B и некоторые другие элементы по отдельности не вызывают заметного легирующего и модифицирующего воздействия, но существенно улучшают свойства сплавов алюминия в совокупности с другими элементами.

Пять элементов (Zn, Si, Mg, Cu, Mn) составляют основу промышленных алюминиевых сплавов и используются в различных сочетаниях в чистом виде или в виде лигатур. Кремний улучшает литейные свойства сплава, а в деформируемых сплавах в количестве до 1,5% снижает склонность к образованию трещин. Цинк дает повышение прочности в деформируемых сплавах, особенно в сочетании с добавкой магния. Магний является основным легирующим элементом в целом ряде сплавов; добавка магния значительно повышает прочность алюминия без заметного снижения пластичности.

Медь в количестве от 2 до 10% в сочетании с другими добавками повышает твёрдость и прочность деформируемых и литейных сплавов, а их относительное удлинение снижается. Марганец в количестве до 1,25% один или вместе с магнием увеличивает прочность сплава без снижения коррозийной стойкости; это позволяет использовать такие сплавы для производства листа для упаковки пищевых продуктов и напитков.

Лигатуры получают двумя способами: сплавлением чистых компонентов и восстановлением легирующего металла. Метод сплавления основан на введении того или иного компонента в расплав другого или на смешении их в расплавленном виде. Второй метод основан на восстановлении тем или иным способом легирующего металла из оксидов или достижении того же результата методом электролиза.

Часть лигатур производится непосредственно в литейных отделениях путём сплавления в жидком виде в индукционных печах типа ИАТ, это сплавы Al-Cr; Al-Mn. Другие лигатуры (Al-B;

Al-Ti-B; Ti губча