ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НЕПРЕРЫВНОЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ ИЗ МЕДИ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОГО ВНЕШНЕГО ОХЛАЖДЕНИЯ
|
Актуальность работы
В настоящее время наметилась тенденция в развитии техники и технологии обработки цветных металлов, заключающаяся в переходе от дискретных к непрерывным и совмещенным процессам литья и прокатки. Это позволяет существенно повысить производительность установок, качество продукции, обеспечить существенную экономию дорогостоящих материалов, улучшить технико-экономические показатели. Непрерывными и совмещенными процессами в мире производят 96% медной проволочной заготовки и лишь 4% - методом прокатки вайербарсов на сортовом стане. При этом примерно половина всего объема производства рафинированной меди перерабатывается в проволочную заготовку или катанку диаметром 8 мм для последующего производства проволоки, кабеля и других проводников тока.
Наиболее производительным процессом изготовления катанки методом совмещенного литья и прокатки является технология «Соийгой». Качество изделий, получаемых обработкой давлением, в значительной степени определяется структурой и уровнем свойств литого металла, его физической и химической однородностью. При изготовлении медной катанки на этапе получения литой заготовки возникают трудности, связанные с образованием газовой пористости, неслитин и трещин. Кроме того, при производстве меди полунепрерывными и непрерывными методами в формообразующих устройствах осуществляется интенсивный теплоотвод, который приводит к ярко выраженной транскристаллизации в структуре литой заготовки. Наличие такой структуры неблагоприятно для пластической обработки, так как для нее характерны более слабые межзеренные связи, приводящие к образованию трещин на поверхности литой заготовки при выходе ее из формообразующего устройства, а также в первых проходах при прокатке. Наличие трещин и газовой пористости на поверхности литой заготовки приводит к снижению сортности катанки и ее повышенной обрывности при волочении, что не позволяет получать проволоку тонких размеров. Одним из способов эффективного воздействия на структуру и свойства металла на этапе его затвердевания является модифицирование расплава, которое в условиях разливки по технологии «Соийгой» является наиболее технологичным способом воздействия на расплав.
В связи с этим исследование особенностей формирования структуры и свойств литых заготовок в условиях интенсивного внешнего охлаждения, а также совершенствование технологического регламента непрерывного литья заготовок в ленточный водоохлаждаемый кристаллизатор, обеспечивающего получение медных заготовок с мелкозернистой структурой без дефектов, является в настоящее время важной и актуальной задачей.
Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» по лоту «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области физики конденсированных сред, физического материаловедения» шифр 2010-1.1-121-011 по теме «Исследование взаимосвязи текстурного состояния со структурой и комплексом свойств в металлических материалах с различным типом кристаллической решетки» (государственный контракт №02.740.11.0537).
Цель работы
Исследование особенностей формирования структуры и свойств литых заготовок из меди различной чистоты для дальнейшей пластической обработки в условиях интенсивного внешнего охлаждения с применением модифицирования расплава.
Основное внимание было уделено решению следующих задач:
- выполнению сравнительного анализа влияния способов литья на структуру и свойства литых медных заготовок;
- исследованию влияния технологических параметров непрерывного литья в ленточный водоохлаждаемый кристаллизатор на качество литой заготовки и катанки;
- изучению влияния модифицирующих добавок на структуру и свойства меди с различным содержанием примесей с целью получения благоприятной структуры и свойств литых заготовок для пластической деформации;
- корректировке технологических параметров непрерывного литья меди, обеспечивающих высокое качество литого и деформированного металла.
Научная новизна работы
1. Установлена взаимосвязь между скоростью и температурой литья меди в ленточный водоохлаждаемый кристаллизатор, позволяющая прогнозировать глубину лунки жидкого металла и температурное поле непрерывнолитой заготовки.
2. Определены условия развития последовательной, последовательно-объемной и объемной кристаллизации меди марок М00 и М1 в зависимости от условий кристаллизации и размера литой заготовки.
3. Установлено различие в механизме модифицирования меди редкоземельными металлами в зависимости от содержания в ней примесей.
Практическая значимость работы
Уточнены технологические параметры непрерывного литья меди марки М00 при литье в ленточный водоохлаждаемый кристаллизатор, обеспечивающие получение качественных литых заготовок размером 120x70 мм. Разработана номограмма, позволяющая скорректировать глубину лунки жидкого металла в зависимости от скорости литья и тем самым снизить вероятность образования горячих трещин. Рекомендовано соотношение содержания кислорода и водорода в меди, обеспечивающее формирование литой заготовки без газовой пористости. Предложено использование комплексного модификатора для обработки расплава меди с целью получения мелкокристаллической однородной структуры и равномерного распределения механических свойств по сечению литой заготовки.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на XIV отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО «УГТУ - УПИ», г. Екатеринбург, 2008 г., IX съезде литейщиков России, г. Уфа, 2009 г., X International Russian-Chinese Symposium, г. Хабаровск, 2009 г.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, 1 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, библиографического списка из 110 наименований и приложений, изложена на 171 странице машинописного текста, содержит 94 рисунка, 11 таблиц.
В настоящее время наметилась тенденция в развитии техники и технологии обработки цветных металлов, заключающаяся в переходе от дискретных к непрерывным и совмещенным процессам литья и прокатки. Это позволяет существенно повысить производительность установок, качество продукции, обеспечить существенную экономию дорогостоящих материалов, улучшить технико-экономические показатели. Непрерывными и совмещенными процессами в мире производят 96% медной проволочной заготовки и лишь 4% - методом прокатки вайербарсов на сортовом стане. При этом примерно половина всего объема производства рафинированной меди перерабатывается в проволочную заготовку или катанку диаметром 8 мм для последующего производства проволоки, кабеля и других проводников тока.
Наиболее производительным процессом изготовления катанки методом совмещенного литья и прокатки является технология «Соийгой». Качество изделий, получаемых обработкой давлением, в значительной степени определяется структурой и уровнем свойств литого металла, его физической и химической однородностью. При изготовлении медной катанки на этапе получения литой заготовки возникают трудности, связанные с образованием газовой пористости, неслитин и трещин. Кроме того, при производстве меди полунепрерывными и непрерывными методами в формообразующих устройствах осуществляется интенсивный теплоотвод, который приводит к ярко выраженной транскристаллизации в структуре литой заготовки. Наличие такой структуры неблагоприятно для пластической обработки, так как для нее характерны более слабые межзеренные связи, приводящие к образованию трещин на поверхности литой заготовки при выходе ее из формообразующего устройства, а также в первых проходах при прокатке. Наличие трещин и газовой пористости на поверхности литой заготовки приводит к снижению сортности катанки и ее повышенной обрывности при волочении, что не позволяет получать проволоку тонких размеров. Одним из способов эффективного воздействия на структуру и свойства металла на этапе его затвердевания является модифицирование расплава, которое в условиях разливки по технологии «Соийгой» является наиболее технологичным способом воздействия на расплав.
В связи с этим исследование особенностей формирования структуры и свойств литых заготовок в условиях интенсивного внешнего охлаждения, а также совершенствование технологического регламента непрерывного литья заготовок в ленточный водоохлаждаемый кристаллизатор, обеспечивающего получение медных заготовок с мелкозернистой структурой без дефектов, является в настоящее время важной и актуальной задачей.
Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» по лоту «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области физики конденсированных сред, физического материаловедения» шифр 2010-1.1-121-011 по теме «Исследование взаимосвязи текстурного состояния со структурой и комплексом свойств в металлических материалах с различным типом кристаллической решетки» (государственный контракт №02.740.11.0537).
Цель работы
Исследование особенностей формирования структуры и свойств литых заготовок из меди различной чистоты для дальнейшей пластической обработки в условиях интенсивного внешнего охлаждения с применением модифицирования расплава.
Основное внимание было уделено решению следующих задач:
- выполнению сравнительного анализа влияния способов литья на структуру и свойства литых медных заготовок;
- исследованию влияния технологических параметров непрерывного литья в ленточный водоохлаждаемый кристаллизатор на качество литой заготовки и катанки;
- изучению влияния модифицирующих добавок на структуру и свойства меди с различным содержанием примесей с целью получения благоприятной структуры и свойств литых заготовок для пластической деформации;
- корректировке технологических параметров непрерывного литья меди, обеспечивающих высокое качество литого и деформированного металла.
Научная новизна работы
1. Установлена взаимосвязь между скоростью и температурой литья меди в ленточный водоохлаждаемый кристаллизатор, позволяющая прогнозировать глубину лунки жидкого металла и температурное поле непрерывнолитой заготовки.
2. Определены условия развития последовательной, последовательно-объемной и объемной кристаллизации меди марок М00 и М1 в зависимости от условий кристаллизации и размера литой заготовки.
3. Установлено различие в механизме модифицирования меди редкоземельными металлами в зависимости от содержания в ней примесей.
Практическая значимость работы
Уточнены технологические параметры непрерывного литья меди марки М00 при литье в ленточный водоохлаждаемый кристаллизатор, обеспечивающие получение качественных литых заготовок размером 120x70 мм. Разработана номограмма, позволяющая скорректировать глубину лунки жидкого металла в зависимости от скорости литья и тем самым снизить вероятность образования горячих трещин. Рекомендовано соотношение содержания кислорода и водорода в меди, обеспечивающее формирование литой заготовки без газовой пористости. Предложено использование комплексного модификатора для обработки расплава меди с целью получения мелкокристаллической однородной структуры и равномерного распределения механических свойств по сечению литой заготовки.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на XIV отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО «УГТУ - УПИ», г. Екатеринбург, 2008 г., IX съезде литейщиков России, г. Уфа, 2009 г., X International Russian-Chinese Symposium, г. Хабаровск, 2009 г.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, 1 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, библиографического списка из 110 наименований и приложений, изложена на 171 странице машинописного текста, содержит 94 рисунка, 11 таблиц.
1. Выполненный анализ кристаллической структуры литых заготовок из меди, полученных различными способами литья, показал, что независимо от способа литья в них формируется крупнокристаллическая столбчатая структура. Причем, структура литой заготовки из меди марки М00, полученной при литье в ленточный водоохлаждаемый кристаллизатор, характеризуется наличием четырех зон, стыкующихся по пяти плоскостям. Кроме того, выявлено, что при литье меди в ленточный кристаллизатор существует большая вероятность образования трещин и неслитин на поверхности литых заготовок. Установлено наличие анизотропии свойств литой меди, получаемой при литье в водоохлаждаемый ленточный кристаллизатор. Твердость меди, измеренная в направлении перпендикулярном оси роста кристалла, оказывается величиной меньшей, чем твердость, измеренная в направлении оси роста кристалла. Показано, что при скорости литья 10,5 м/мин в направлении перпендикулярном оси роста кристалла твердость оказывается на уровне 42,5.43,5 НВ, а в направлении, соответствующем оси роста кристалла, она составляет 44 ... 45 НВ.
2. Выполнен металлографический анализ структуры литых заготовок, отлитых при различных скоростях и температурах литья. Установлено, что при увеличении скорости литья с 7 до 10 м/мин суммарная протяженность границ между структурными зонами заготовки увеличивается с 238 мм до 258 мм, при этом средний размер столбчатых зерен в поперечном сечении уменьшается с 1,83.2,26 мм до 1,25... 1,41 мм. При увеличении температуры литья с 1120 до 1130°С суммарная протяженность границ структурных зон практически не изменяется и составляет 261 и 259 мм соответственно. Вместе с тем происходит незначительное увеличение размера столбчатых зерен в поперечном сечении с 1,38.1,56 мм до 1,52.1,68 мм.
3. Выполнен анализ содержания кислорода и водорода по литейному тракту в зависимости от температуры литья. Установлено, что распределение кислорода и водорода по литейному тракту при различных температурах расплава меди неравномерно. Выявлено, что содержание кислорода в пробе, отобранной в разливочном лотке, при температуре расплава меди 1120°С составляет 200 ppm, а при температуре разливки 1130°С содержание кислорода составляет 360 ppm. Следует отметить, что в большинстве случаев взаимосвязь между содержанием водорода и кислорода не соответствует общепринятым представлениям об их совместном присутствии.
4. Выполнен теоретический расчет распределения температуры меди по сечению литой заготовки размером 120x70 мм в зависимости от скорости и температуры литья. Показано, что разность температур между центром и поверхностью заготовки незначительно увеличивается при повышении скорости и температуры литья. Расчетом установлено, что при скорости литья 8 м/мин и температуре литья 1115°С разность температур между центром и поверхностью заготовки составляет 96°С, а при скорости литья 11 м/мин и температуре литья 1140°С она равна 100°С. По результатам расчета температурного поля по сечению заготовки размером 120x70 мм в процессе литья выведены закономерности нарастания твердой корочки меди во времени при разных температурах литья. При температуре литья 1115°С толщина корочки определяется зависимостью от времени 5=1,201т1,1737, при 1120°С - 8=0,8878т1,2475, при 1130°С - 5=0,55т1,3445, при 1140°С - 5=0,2957т1,4963. Полученные зависимости толщины твердой корочки от времени наглядно свидетельствуют об отклонении реального процесса затвердевания при высокой интенсивности охлаждения, характерной для условий формирования слитка в ленточном кристаллизаторе, от закона квадратного корня. По полученным закономерностям нарастания твердой корочки во времени построены профили лунки жидкого металла в зависимости от температуры и скорости литья. Установлено, что для предотвращения выхода лунки жидкого металла за пределы кристаллизатора при непрерывном литье медных заготовок размером 120x70 мм скорость литья в диапазоне температур 1130.1140°С должна быть ограничена 9.9,5 м/мин для исключения образования трещин на поверхности литой заготовки и возможных прорывов жидкого металла. По результатам расчета построена номограмма, позволяющая определить глубину лунки жидкого металла в зависимости от скорости литья, которая может быть использована в производственных условиях.
5. Теоретически исследован процесс модифицирования деформируемых сплавов с целью измельчения структуры, повышения уровня механических свойств и улучшения качества полуфабрикатов. Определены коэффициенты модифицирующей активности различных элементов в меди, на основании значений которых установлена принадлежность элементов к модификаторам и демодификаторам. В связи с этим изучено влияние магния, титана, лигатуры А1-Т1-В, миш-металла на структуру и свойства меди марок М00 и М1. Установлено, что при введении в расплав меди магния, титана и РЗМ наблюдается измельчение структуры и повышение уровня механических свойств. Показано, что наибольший эффект наблюдается при использовании в качестве модификатора миш-металла. При этом происходит уменьшение средней площади сечения зерна для меди марки М00 с 5 до 0,9 мм2, для меди марки М1 - с 6 до 0,45 мм2 и формируется преимущественно равноосная мелкокристаллическая структура. Выявлено, что средний размер дендритной ячейки при введении миш-металла для меди марки М1 уменьшается с 3,2 до 1,2 мкм, а для меди марки М00 - с 2,5 до 0,9 мкм. Установлено, что с увеличением количества вводимого миш-металла отмечается повышение значений временного сопротивления разрушению при растяжении, относительного удлинения и твердости по Бринеллю.
6. Выполнен термодинамический анализ возможных реакций, протекающих при модифицировании расплава меди миш-металлом. Установлено, что наиболее вероятны реакции между редкоземельными металлами и оксидом меди с образованием оксидов РЗМ, таких как Рг2О3, Се2О3, N6203. Кроме того, возможно протекание реакций между РЗМ и сульфидом меди с образованием сульфидов редкоземельных металлов (Се384, Ьа283, N6283). Образующиеся оксиды и сульфиды служат дополнительными центрами кристаллизации. При этом миш-металл оказывает комплексное модифицирующее и рафинирующее действие, что позволяет при выплавке меди использовать шихтовые материалы с повышенным содержанием примесей.
7. Проанализированы возможные механизмы модифицирования расплава меди с различным содержанием примесей. Показано, что для меди марки М00 в основном реализуется механизм модифицирования, связанный с гетерогенизацией расплава, а для меди марки М1 наиболее вероятен классический зародышевый механизм модифицирования наряду с гетерогенизацией расплава в связи с присутствием большего количества примесей. Предложен критерий оценки характера кристаллизации меди в условиях интенсивного внешнего охлаждения, учитывающий степень переохлаждения, скрытую теплоту кристаллизации и теплоемкость меди. Результаты работы прошли промышленную апробацию на ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов» и рекомендованы к внедрению на заводах, специализирующихся на обработке меди.
2. Выполнен металлографический анализ структуры литых заготовок, отлитых при различных скоростях и температурах литья. Установлено, что при увеличении скорости литья с 7 до 10 м/мин суммарная протяженность границ между структурными зонами заготовки увеличивается с 238 мм до 258 мм, при этом средний размер столбчатых зерен в поперечном сечении уменьшается с 1,83.2,26 мм до 1,25... 1,41 мм. При увеличении температуры литья с 1120 до 1130°С суммарная протяженность границ структурных зон практически не изменяется и составляет 261 и 259 мм соответственно. Вместе с тем происходит незначительное увеличение размера столбчатых зерен в поперечном сечении с 1,38.1,56 мм до 1,52.1,68 мм.
3. Выполнен анализ содержания кислорода и водорода по литейному тракту в зависимости от температуры литья. Установлено, что распределение кислорода и водорода по литейному тракту при различных температурах расплава меди неравномерно. Выявлено, что содержание кислорода в пробе, отобранной в разливочном лотке, при температуре расплава меди 1120°С составляет 200 ppm, а при температуре разливки 1130°С содержание кислорода составляет 360 ppm. Следует отметить, что в большинстве случаев взаимосвязь между содержанием водорода и кислорода не соответствует общепринятым представлениям об их совместном присутствии.
4. Выполнен теоретический расчет распределения температуры меди по сечению литой заготовки размером 120x70 мм в зависимости от скорости и температуры литья. Показано, что разность температур между центром и поверхностью заготовки незначительно увеличивается при повышении скорости и температуры литья. Расчетом установлено, что при скорости литья 8 м/мин и температуре литья 1115°С разность температур между центром и поверхностью заготовки составляет 96°С, а при скорости литья 11 м/мин и температуре литья 1140°С она равна 100°С. По результатам расчета температурного поля по сечению заготовки размером 120x70 мм в процессе литья выведены закономерности нарастания твердой корочки меди во времени при разных температурах литья. При температуре литья 1115°С толщина корочки определяется зависимостью от времени 5=1,201т1,1737, при 1120°С - 8=0,8878т1,2475, при 1130°С - 5=0,55т1,3445, при 1140°С - 5=0,2957т1,4963. Полученные зависимости толщины твердой корочки от времени наглядно свидетельствуют об отклонении реального процесса затвердевания при высокой интенсивности охлаждения, характерной для условий формирования слитка в ленточном кристаллизаторе, от закона квадратного корня. По полученным закономерностям нарастания твердой корочки во времени построены профили лунки жидкого металла в зависимости от температуры и скорости литья. Установлено, что для предотвращения выхода лунки жидкого металла за пределы кристаллизатора при непрерывном литье медных заготовок размером 120x70 мм скорость литья в диапазоне температур 1130.1140°С должна быть ограничена 9.9,5 м/мин для исключения образования трещин на поверхности литой заготовки и возможных прорывов жидкого металла. По результатам расчета построена номограмма, позволяющая определить глубину лунки жидкого металла в зависимости от скорости литья, которая может быть использована в производственных условиях.
5. Теоретически исследован процесс модифицирования деформируемых сплавов с целью измельчения структуры, повышения уровня механических свойств и улучшения качества полуфабрикатов. Определены коэффициенты модифицирующей активности различных элементов в меди, на основании значений которых установлена принадлежность элементов к модификаторам и демодификаторам. В связи с этим изучено влияние магния, титана, лигатуры А1-Т1-В, миш-металла на структуру и свойства меди марок М00 и М1. Установлено, что при введении в расплав меди магния, титана и РЗМ наблюдается измельчение структуры и повышение уровня механических свойств. Показано, что наибольший эффект наблюдается при использовании в качестве модификатора миш-металла. При этом происходит уменьшение средней площади сечения зерна для меди марки М00 с 5 до 0,9 мм2, для меди марки М1 - с 6 до 0,45 мм2 и формируется преимущественно равноосная мелкокристаллическая структура. Выявлено, что средний размер дендритной ячейки при введении миш-металла для меди марки М1 уменьшается с 3,2 до 1,2 мкм, а для меди марки М00 - с 2,5 до 0,9 мкм. Установлено, что с увеличением количества вводимого миш-металла отмечается повышение значений временного сопротивления разрушению при растяжении, относительного удлинения и твердости по Бринеллю.
6. Выполнен термодинамический анализ возможных реакций, протекающих при модифицировании расплава меди миш-металлом. Установлено, что наиболее вероятны реакции между редкоземельными металлами и оксидом меди с образованием оксидов РЗМ, таких как Рг2О3, Се2О3, N6203. Кроме того, возможно протекание реакций между РЗМ и сульфидом меди с образованием сульфидов редкоземельных металлов (Се384, Ьа283, N6283). Образующиеся оксиды и сульфиды служат дополнительными центрами кристаллизации. При этом миш-металл оказывает комплексное модифицирующее и рафинирующее действие, что позволяет при выплавке меди использовать шихтовые материалы с повышенным содержанием примесей.
7. Проанализированы возможные механизмы модифицирования расплава меди с различным содержанием примесей. Показано, что для меди марки М00 в основном реализуется механизм модифицирования, связанный с гетерогенизацией расплава, а для меди марки М1 наиболее вероятен классический зародышевый механизм модифицирования наряду с гетерогенизацией расплава в связи с присутствием большего количества примесей. Предложен критерий оценки характера кристаллизации меди в условиях интенсивного внешнего охлаждения, учитывающий степень переохлаждения, скрытую теплоту кристаллизации и теплоемкость меди. Результаты работы прошли промышленную апробацию на ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов» и рекомендованы к внедрению на заводах, специализирующихся на обработке меди.
Подобные работы
- СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК ИЗ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ МЕДИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА КАТАНКИ
Диссертации (РГБ), металлургия. Язык работы: Русский. Цена: 4270 р. Год сдачи: 2015 - ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУНЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК ИЗ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННОЙ ЛАТУНИ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЯ
Диссертации (РГБ), металлургия. Язык работы: Русский. Цена: 4340 р. Год сдачи: 2016