СПОСОБ СОВМЕЩЕННОГО НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ПРОКАТКИ МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ Российский патент 1997 года по МПК B22D11/06 

Изобретение относится к металлургии, в частности, к технологии совмещенных процессов непрерывного литья заготовок и их последующей прокатки и может быть использовано для получения длинномерных катанных изделий из меди и ее сплавов с необходимыми свойствами для изготовления бесстыковых медных, низколегированных и бронзовых контактных проводов.

К изделиям указанного назначения предъявляются высокие требования как по электротехническим свойствам, так и по механическим высокая прочность, термо- и износостойкость и т.п.

Учитывая, что подобный комплекс свойств зависит от качества жидкого металла (соблюдение марочного состава, равномерность распределения элементов по объему, отсутствие примесей), от условий формирования непрерывнолитой заготовки (структура металла, равномерность свойств по длине, отсутствие литейных дефектов), а также от технологии пластической деформации и термической обработки, процесс изготовления проводов является неразрывным, в связи с чем объединение всех стадий производства в предлагаемом изобретении естественно и не нарушает требований единства, тем более, что, как будет показано ниже, процессы отдельных стадий влияют на технологические особенности других стадий процесса.

Известен способ получения катанки из меди и ее сплавов, согласно которому расплавленную медь разливают в открытые изложницы и полученные слитки после нагрева прокатывают в валках стана до требуемого размера и профиля.

Катанка, полученная этим способом, характеризуется рядом принципиальных недостатков, которые трудно устранимы и требуют дополнительных производственных затрат.

В частности, плохая поверхность слитков, характерная для слитков структура металла, состоящая из нескольких зон: периферийной мелкокристаллической, основной, состоящей из столбчатых крупных кристаллов, и центральной из равноосных некрупных зерен сегрегация примесей, неблагоприятно сказываются на процессе прокатки. Длительный процесс прокатки с невысокой скоростью остывания раската вызывает появление крупнозернистой структуры, что приводит к низким механическим свойствам катанки.

Технология обеспечивает получение катанки небольшой длины (вес бухты около 100 кг), что вызывает необходимость соединения концов бухт при производстве токопроводов, и получение непрочного и неравномерного по потребительским свойствам провода.

Эти и целый ряд иных недостатков известного способа привели к тому, что он утратил свое ведущее положение.

В настоящее время широко применяются способы совмещенного непрерывного литья заготовок с их последующей прокаткой, наиболее близким из которых к описываемому изобретению является известный способ, включающий расплавление медного сырья и выдержку его в миксере, осуществляемые в восстановительной атмосфере, подачу расплава в промежуточную емкость и из нее регулируемой струей с температурой 1100-1150 ^oC в кристаллизатор роторного типа, где расплав формируется в непрерывнолитую заготовку трапециевидного сечения сначала в контакте с водоохлаждаемой бесконечной лентой, охватывающей бандаж кристаллизатора по дуге в 110-130 ^oC, а затем в зоне вторичного охлаждения форсунками протяженностью 70-80^o. Полностью закристаллизовавшаяся заготовка при температуре 900-950 ^oC снимается с кристаллизатора и направляется в прокатный стан, при этом начало прокатки осуществляется при температуре заготовки 860-870 ^oC, а окончание при 450-500 ^oC. Известный способ характеризуется высокой производительностью, обеспечивает получение беспрерывной по длине катанки массой 3-5 т с высоким качеством поверхности, а процесс прокатки не требует дополнительного нагрева непрерывнолитой заготовки ввиду использования первичной теплоты слитка.

Однако наряду с указанными достоинствами000 известному способу присущ и ряд недостатков.

Использование медных катодов в качестве сырья для получения расплава и отсутствие средств для введения в расплав дополнительных (легирующих) элементов не предусматривает получение катанки из медных сплавов, что резко ограничивает ассортимент получаемой продукции.

Наличие восстановительный атмосферы только на отдельных участках технологической цепочки не гарантирует отсутствие окисления и наводораживания расплава, что приводит к излишнему угару, окислению и, как следствие, возможности зашлаковывания литейных каналов, что может привести к прерыванию процесса и невозможности его осуществления.

Непосредственная связь миксера с промежуточной емкостью перед кристаллизатором не обеспечивает гарантированного усреднения состава расплава, что чревато разбросом свойств по длине заготовки (не случайно в известном решении часть непрерывнолитой заготовки отрезается и не используется для прокатки).

Однако основные недостатки известного способа относятся к стадии получения твердой заготовки и ее последующей прокатки.

Параметры процесса кристаллизации не обеспечивают устранение горячих трещин в заготовке, что объясняется малым диаметром кристаллизатора, нерациональным сечением получаемой заготовки (оно подобрано исключительно исходя из требований прокатки), а также принятой схемой охлаждения, приводящей к неполной кристаллизации металла по сечению литой заготовки к моменту ее снятия с роторного кристаллизатора, когда она подвергается избигу. Чрезмерно высокая температура снятия заготовки с бандажа кристаллизатора увеличивает опасность образования горячих трещин.

Кроме того, малый диаметр бандажа не обеспечивает высокий ресурс работы кристаллизатора вследствие малого периода теплосмен.

Отсутствие возможности влияния на структуру металла катанки в процессе прокатки не позволяет получать изделия с регламентированным уровнем механических свойств, в частности, осуществлять фиксацию пересыщенного твердого раствора в сплавах, способных к дисперсионному твердению.

В основу изобретения положена задача устранения вышеперечисленных недостатков известного способа, а именно разработка способа совмещенного непрерывного литья и прокатки меди и ее сплавов, обеспечивающего отсутствие угара элементов, зашлаковывания литниковой системы, появления горячих трещин, распределение элементов расплава равномерно по длине заготовки, расширение ассортимента выпускаемой продукции, осуществление возможности управления структурой получаемой заготовки и катанки, упрощение используемого оборудования, продление срока его службы.

Указанная задача решена за счет того, что в известном способе совмещенного непрерывного литья и прокатки, включающем получение расплава и его накопление в миксере, осуществляемые в восстановительной атмосфере, подачу расплава в кристаллизатор роторного типа через промежуточную емкость, формирование в кристаллизаторе непрерывнолитой заготовки трапециевидного сечения до полного ее затвердевания, снятие заготовки с кристаллизатора, подачу заготовки в прокатный стан и обжатие ее в черновых и чистовой клетях, в промежуточной емкости создают восстановительную атмосферу, подаваемый в кристаллизатор расплав модифицируют путем непрерывного ввода в струю расплава модификатора в виде спеченной порошковой меди, формирование заготовки осуществляют на кристаллизаторе с диаметром бандажа не менее 1,55 м, с отношением величины большего основания сечения заготовки к высоте в пределах 1,78-1,88, снимают заготовку с кристаллизатора при достижении ею температуры 625-670 ^oC, перед подачей заготовки в прокатный стан ее нагревают, а перед чистовой клетью стана охлаждают до температуры рекристаллизации материала раската, при этом дополнительно осуществляют легирование расплава в отдельной обогреваемой емкости с восстановительной атмосферой путем ввода легирующих элементов в расплав в виде длинномерного изделия из медной спеченной порошковой лигатуры, подаваемой со скоростью, соответствующей требуемому содержанию элементов в расплаве и производительности литья.

Способ совмещенного непрерывного литья и прокатки осуществляют следующим образом.

Исходный материал твердая медь загружается в шахтную плавильную печь и расплавляется. Расплав по желобу поступает в накопитель миксер, в котором, также как и в печи, поддерживается восстановительная атмосфера любым известным способом.

Расплав меди подается по желобу в промежуточную емкость кристаллизатора и далее регулируемой струей в кристаллизатор роторного типа.

В случае получения изделий из медного сплава расплав перед промежуточной емкостью обрабатывается в отдельной емкости, имеющей автономные средства нагрева и восстановительную атмосферу, лигатурой, которая в виде бесконечного длинномерного изделия из спеченной порошковой меди с добавками необходимых легирующих элементов вводится в расплав.

Скорость подачи лигатуры и ее расход определяются производительностью процесса литья и требуемым составом сплава.

Доведенный до требуемого состава сплав направляется в промежуточную емкость и далее в кристаллизатор.

В формирующей полости бандажа кристаллизатора, образованной выточкой по периметру бандажа и охватывающей бандаж по дуге в 110^o-130^o бесконечной лентой, расплав кристаллизуется и в зоне вторичного охлаждения, образованной форсунками, подающими струи охлаждающей воды непосредственно на литую заготовку, обеспечивается полное затвердевание металла по всему поперечному сечению и с температурой 625-670 ^oC она снимается с кристаллизатора.

Подаваемый в кристаллизатор жидкий металл обрабатывается модификатором, который в виде спеченной порошковой меди вводится в струю металла, что позволяет обогатить расплав центрами кристаллизации.

Непрерывнолитая заготовка подается в прокатный стан в предварительно нагретом состоянии благодаря проходу через индуктор, где нагревается до необходимой температуры, а затем деформируется сначала в черновых, а затем в чистовой клети до получения требуемого диаметра катанки.

Перед чистовой клетью стана заготовку интенсивно охлаждают, увеличивая расход эмульсии, в валках прокатного стана для протекания в металле упрочняющих процессов.

Наличие восстановительной атмосферы на стадиях операции легирования расплава позволяет полностью исключить окисление легирующих элементов, а отсутствие оксидов позволяет гарантировать тракт подачи расплава к кристаллизатору от зашлаковывания и нарушений беспрерывности процесса.

Использование отдельной емкости для легирования и наличие в ней источника нагрева металла позволяет осуществить легирование расплава любыми, в т.ч. и тугоплавкими элементами, гарантированно усреднить состав расплава и обеспечить равномерность его на всей длине непрерывнолитой заготовки.

Как известно, одним из основных факторов, влияющих на структуру литого металла, является процесс когерентного зарождения кристаллов, условиями протекания которого являются температура расплава и степень его переохлаждения. Однако величина переохлаждения, необходимая для начала когерентного зарождения кристаллов, весьма высока и обычно на практике недостижима. В реальных условиях происходит гетерогенное зарождение на посторонних твердых частицах, например, примесях, и уже при небольших переохлаждениям. Учитывая, что предыдущие стадии процесса описываемого изобретения обеспечивают высокую чистоту от примесей, необходимо введение в расплав дополнительных центров при кристаллизации микрохолодильников, которыми являются в данном случае частицы меди, вводимой в виде спеченной порошковой проволоки или ленты в струю металла, поступающего в кристаллизатор.

Данный прием позволяет получить чрезвычайно мелкозернистую структуру, обладающую не только высокими механическими свойствами, но и, что особенно важно, высокой стойкостью к горячим трещинам, в связи с чем образование их в изобретении исключается.

Увеличение диаметра бандажа (колеса) кристаллизатора свыше 1,55 м позволяет "смягчить" напряженное состояние металла при снятии литой заготовки с кристаллизатора, поскольку, во-первых, радиус закругления ручья пи этом увеличивается, и, во-вторых, увеличение длины дуги окружности (при сохранении углового расстояния зоны кристаллизации) приводит к увеличению времени нахождения литой заготовки на кристаллизаторе, а следовательно, процесс затвердевания проходит более полно по всему сечению ее до снятия с кристаллизатора.

Увеличение диаметра колеса благоприятно действует и на состояние затвердевшей заготовки при ее съеме и последующем протягивании через направляющие ролики к прокатному стану, т.к. позволяет снимать заготовку с уровня ниже оси колеса, что обеспечивает более плавное распрямление заготовки и приводит к снижению напряжений в ее сечении.

Кроме того, увеличение диаметра колеса снижает температурные деформации самого колеса, поскольку, как известно, оно подвергается циклическому изменению температуры (каждая точка колеса сначала воспринимает температуру жидкого металла, а затем следует с ним вместе по окружности, постепенно охлаждается и после снятия заготовки вновь приходит в зону жидкой ванны), а увеличение диаметра приводит к увеличению периода этого цикла.

Снятие заготовки с колеса с температурой 625-670 ^oC (а не 900-950 ^oC, как в прототипе) позволяет исключить еще один фактор, влияющий на образование горячих трещин, жидкие прослойки по границам зерен, кристаллизующиеся при низких температурах. Кроме того, снижение уровня остаточных литейных напряжений связано с уменьшением температуры слитка.

Именно это обстоятельство упущено в известном решении в угоду процессу горячей прокатки, поскольку в известном решении ставилась задача максимального использования внутреннего тепла заготовки для прокатки.

Еще одним фактором, оказывающим влияние на образование трещин в заготовке, является профиль сечения заготовки.

Из теории сопротивления материалов известно, что из сечений одинаковой площади меньшей способностью к изгибу обладает то, у которого отношение высоты к основанию больше, т.е. согласно теории для снижения напряжений в теле литой заготовки при ее изгибе. Во время снятия с роторного кристаллизатора и выпрямлении после него при поступлении в прокатный стан предпочтительно иметь у сечения литой заготовки максимальное отношение ширины основания к высоте, приближаясь в идеале к плоской полосе.

Однако заявителем в результате экспериментальных исследований выявлено, что при достижении определенных величин соотношений параметров сечения дальнейшее уменьшение высоты не вызывает существенного снижения напряжений при изгибе.

Выяснилось, что максимальное отношение основания к высоте, выгодной для устранения трещинообразования, равно 1,857, однако учитывая требования прокатки, оптимальным принимается диапазон 1,78-1,88, поскольку при меньшем соотношении (выгодном процессу прокатки) появление трещин вероятно, а большее отношение не выгодно для процесса прокатки увеличивается число клетей.

Для снижения нагрузок на подшипники прокатного стана во время деформации заготовки, а также более равномерного распределения температуры по сечению непрерывнолитой заготовки введена операция нагрева заготовки перед подачей ее в прокатный стан. Необходимо отметить также, что эта операция способствует возможности достижения у прокатываемых заготовок закалочных температур при обработке дисперсно-твердеющих медных сплавов.

Наличие же операции охлаждения проката перед чистовыми клетями стана позволяет осуществить процесс обработки давлением при температуре рекристаллизации и ниже ее для повышения прочностных свойств катанки и фиксации пересыщенного твердого раствора у дисперсионнотвердеющих медных сплавов.

Пример. Осуществляли расплавление меди и получение путем ее легирования сплава, содержащего 0,04-0,06 Sn. Полученный расплав подавали в кристаллизатор диаметром бандажа 2 м и формировали заготовку с размерами 65•35 мм, сечение полосы составляло 2100 мм². Бесконечная стальная лента, охлаждаемая снаружи водой, охватывала бандаж кристаллизатора под углом 118^o, а вся зона охлаждения простирается по окружности роторного кристаллизатора на 172^o. Температура снятия заготовки с кристаллизатора составляла 650 ^oC. Заготовка направлялась в индуктор, где нагревалась до температуры 760 ^oC и подавалась в 9-ти клетевой стан. Перед поступлением катанки в чистовую клеть ее интенсивно охлаждали со скоростью 70 град/сек до температуры 350-400 ^oC. Произведенная катанка по составу имела отклонения от стандарта не более ±0,02 по содержанию легирующих элементов. Свойства катанки: твердость НВ-1052 МПа, временное сопротивление растяжению 320 МПа, относительное удлинение 21,5 размер зерна 11,8 мкм. Полученный из катанки контактный провод характеризовался временным сопротивлением растяжению 386 МПа, число скручиваний до разрушения 8 и число перегибов до разрушения 5. Электросопротивление составило в среднем 0,0179 МОм.м. При изготовлении катанки по условиям прототипа механические свойства у нее ниже, чем по предлагаемому изобретению. Твердость у материала катанки достигает 640-670 СПа, временное сопротивление σ_в 240-248 МПа, предел текучести 98-115 МПа, относительное удлинение 42-46,5 размер зерна 13,4 мкм. Контактный провод у такой катанки имеет σ_в 370,5 МПа, число скручиваний и перегибов до разрушения соответственно 7 и 4. Интенсивное охлаждение раската при горячей прокатке в случае использования дисперсионнотвердеющих медных сплавов позволяет достигнуть равномерного по всей длине катанного изделия перевода сплава в состояние перенасыщенного твердого раствора. Прокатка дисперсионнотвердеющего сплава 0,17 Zn; 0,08 Gr; ост. Cu, в течение 10 с с температурой подачи в стан 860 ^oC позволила при скорости охлаждения 70 г/с достигнуть состояния закалки. Электросопротивление сплава в состоянии перенасыщенного твердого раствора составило 0,0274 мОм.М, а после старения 0,0197 МОм.М.

Описанный способ позволяет обеспечить свойства и их стабильность в получаемых контактных проводах и исключить из технологии специальную термическую обработку, обычно осуществляемую после прокатки с использованием специального оборудования.

Использование: область металлургии, конкретнее технологии совмещенных процессов непрерывного литья заготовок и их последующей прокатки, в частности моет быть использовано для получения длинномерных катанных изделий из меди и ее сплавов с необходимыми свойствами для изготовления бесстыковых медных, низколегированных и бронзовых контактных проводов. Сущность: для обеспечения высоких свойств и их стабильности в получаемых катанных проводах и исключения из технологии специальной термической обработки, способ совмещенного непрерывного литья и прокатки меди и ее сплавов включает доведение расплава до требуемого состава путем присадки легирующих в восстановительной атмосфере, модифицирование расплава перед его поступлением в кристаллизатор роторного типа, формирование непрерывнолитой заготовки трапецевидного сечения и последующую ее прокатку. Обработку расплава осуществляют длинномерными изделиями на основе порошковой спеченной меди, используют кристаллизатор с диаметром бандажа не менее 1,55 метра, принимают отношение большего основания трапеции к ее высоте в пределах 1,78-1,88, а съем заготовки с кристаллизатора производят при достижении ею температуры 625-670^oC. Перед подачей заготовки в стан ее нагревают в индукторе, а после прокатки в черновых клетях стана заготовку охлаждают до температуры рекристаллизации материала расчета. 1 с. и 3 з.п. ф-лы.

1. Способ совмещенного непрерывного литья и прокатки меди и ее сплавов, включающий получение расплава и его накопление в миксере, осуществляемые в восстановительной атмосфере, подачу расплава в кристаллизатор роторного типа через промежуточную емкость, формирование в кристаллизаторе непрерывнолитой заготовки трапециевидного сечения до полного ее затвердевания, снятие заготовки с кристаллизатора, подачу заготовки в прокатный стан и обжатие в черновых и чистовых клеях стана, отличающийся тем, что в промежуточной емкости создают восстановительную атмосферу, подаваемый в кристаллизатор расплав модифицируют путем непрерывного ввода в струю расплава модификатора в виде спеченной порошковой меди, формирование заготовки осуществляют с диаметром бандажа не менее 1,55 м и отношением величины большего основания сечения заготовки к ее высоте в пределах 1,78 1,88, а перед обжатием в чистовой клети стана заготовку охлаждают до температуры рекристаллизации материала заготовки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед подачей расплава в промежуточную емкость его легируют в отдельной обогреваемой емкости с восстановительной атмосферой. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что легирование осуществляют путем ввода легирующих в расплав в виде длинномерного изделия из медной спеченной порошковой лигатуры, подаваемой со скоростью, соответствующей требуемому содержанию элементов в расплаве и производительности литья. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку снимают с кристаллизатора при достижении ею температуры 625 670^oС, а перед подачей в прокатный стан ее нагревают.