СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЧУШЕК ИЗ АЛЮМИНИЯ ИЛИ ЕГО СПЛАВОВ Российский патент 2024 года по МПК B22D35/04 B22D5/04 B22D3/00 B22D21/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к способу производства малогабаритных чушек из алюминия и его сплавов непрерывной разливкой расплава на литейном конвейере в изложницы, в том числе на автоматизированных литейных линиях.

Уровень техники

Известно изобретение ES2006806 компании Реметалл, представляющее собой систему подачи жидкого металла (в дальнейшем – расплава) в формы, с конструктивными решениями, обеспечивающее ламинарное движение алюминиевого расплава со ступенчатым нормированным сбросом алюминиевого расплава в изложницу.

Известен комплекс заливки жидкого металла в изложницы на конвейере (патент на изобретение RU № 2138364, B22D35/04, опубл. 27.09.1999 г.), который включает миксер с желобом, разливочное колесо с радиально расположенными сливными патрубками, соединенными между собой кольцевым желобом, размещенным внутри колеса, при этом привод колеса выполнен в виде полого диска с пальцами, расположенными с возможностью контактирования с изложницами при разливке расплава.

Известна разливочная машина барабанного типа и барабан для нее (патент на изобретение RU № 2171729, B22D 5/04, B22D 35/04, опубл. 20.01.2001 г.), где предложено устройство для заполнения изложниц с конструкцией, включающей ступицу для крепления литейного колеса, обеспечивающее его вращение и множество носиков, изготовленных из листового металла, которые направлены наружу от центральной области колеса, причем каждый носик имеет входной конец, прилегающий к центральной области колеса, и выходной конец, удаленный от колеса.

Все указанные выше изобретения в той или иной степени успешно могут быть использованы для литья чушек из алюминия и его сплавов, однако общим недостатком указанных выше конструкций и способов является то, что они не исключают возможность попадания с расплавом на поверхность и в тело чушки неметаллических включений в виде скоплений оксидных плен (шлака) за счет их отрыва от поверхности литейного колеса, что несет риск невыполнения требования стандартов, в частности ГОСТ 1583 и ГОСТ 11070, в части отсутствия на поверхности чушек шлаковых и других инородных включений.

Для удаления шлаковых включений с поверхности чушек может использоваться ручное снятие шлака с поверхности лопаткой литейщика, либо вспомогательное оборудование, например, робот-скиммер, который заменяет литейщика на операции съёма шлака, либо простая отбраковка чушек, содержащих шлаковые включения на поверхности. В любом случае, наличие дополнительных операций усложняет процесс производства, снижает производительность и/или выход годного при литье чушек. Кроме того, наличие окисных плён и шлаковых включений на поверхности затвердевающей чушки способно инициировать образование других дефектов, в частности, усадочных трещин. Использование чушек со шлаковыми и другими инородными включениями при их переплавке и производстве отливок, как правило, не допускается ввиду возможного попадания этих оксидов в отливки и снижению эксплуатационных свойств и в целом качества готового изделия.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является повышение чистоты чушек по окисным плёнам и шлаковым включениям. Техническим результатом изобретения является исключение или минимизация попадание оксидных (шлаковых) включений, формирующихся в непрерывно вращающемся литейном колесе на этапе разливки расплава, на поверхность и в тело чушки и, как следствие, повышение чистоты отливаемых чушек по шлаковым включениям, повышение качества продукции, выхода годного продукта, исключение использования вспомогательного оборудования и ручного труда для контроля и сортировки продукции.

Технический результат достигается за счет того, что в способе непрерывного литья чушек из алюминия или его сплавов на литейном конвейере, включающем предварительный прогрев литейного колеса до температуры 180-300 °С, нанесение на внутреннюю рабочую поверхность литейного колеса противопригарного покрытия с фракционным составом наполнителя в диапазоне 45-100 мкм, подачу расплава алюминия или его сплавов в открытые изложницы литейного конвейера через непрерывно вращающееся литейное колесо с формированием тонкого плакирующего слоя-гарнисажа за счет кристаллизации расплава алюминия или его сплавов, по меньшей мере, в течение первого оборота литейного колеса.

В частном случае, при реализации способа:

– в качестве наполнителя покрытия используют оксиды металлов, графит и другие порошкообразные материалы;

– плакирующий слой-гарнисаж на внутренней рабочей поверхности вращающегося литейного колеса формируют при температуре расплава алюминия в диапазоне от 680 до 720 °С;

– плакирующий слой-гарнисаж на внутренней рабочей поверхности вращающегося литейного колеса формируют при температуре литейного сплава не менее чем на 25 °С выше температуры ликвидус и не более 705 °С (от t _L + 25 до 705 °С);

– плакирующий слой-гарнисаж на внутренней рабочей поверхности вращающегося литейного колеса формируют толщиной не менее 0,18 мм и его толщина существенно (или практически) не изменяется на протяжении всего периода литья;

– толщина слоя противопригарного покрытия на поверхности литейного колеса находится в диапазоне 0,2-0,9 мм, предпочтительно 0,3-0,5 мм.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана фотография непрерывно вращающегося литейного колеса, на внутренней поверхности которого на первом обороте формируется слой-гарнисаж сплава.

На фиг. 2 показан сформированный стабильный слой-гарнисаж в процессе эксплуатации литейного колеса.

На фиг. 3 показана сторона слоя-гарнисажа, прилегающая к покрытию литейного колеса (видна шероховатость поверхности).

На фиг. 4 и 5 показана чистая поверхность чушек литейного сплава AlSi7MgSr в изложницах на конвейере.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение может быть осуществлено при изготовлении чушек из алюминия или его сплавов с использованием непрерывно вращающегося литейного колеса.

На внутренней поверхности литейного колеса необходимо сформировать слой-гарнисаж, представляющий собой тонкую корочку алюминия или алюминиевого сплава, плотно прилегающую к слою противопригарного покрытия. После формирования тонкого слоя-гарнисажа течение расплава внутри колеса происходит по тонкой корочке того же металла или сплава без дополнительного образования и последующего отрыва скоплений оксидов от поверхности литейного колеса.

Расплав при непрерывном литье отделён от рабочей, контактирующей с расплавом, поверхности колеса разделительным противопригарным покрытием, исключающим непосредственный контакт с этой поверхностью, выполненной из стали или чугуна.

Покрытие должно характеризоваться высокой технологичностью при нанесении, включая формирование слоя с требуемой толщиной, однородностью и шероховатостью. В качестве основного материала (наполнителя) покрытия могут использоваться, например, оксиды металлов (алюминия, цинка, железа, циркония и других элементов), графит и другие порошкообразные материалы.

Формирование слоя-гарнисажа осуществляют за счет последовательного выполнения следующих операций:

а) предварительный прогрев литейного колеса до температуры 180-300 °С;

б) нанесение на внутреннюю рабочую поверхность литейного колеса противопригарного покрытия с фракционным составом наполнителя в диапазоне 45-100 мкм, предпочтительный способ нанесения покрытия для формирования ровного слоя – пульверизатором в 2-3 приёма при вращении колеса, толщина слоя противопригарного покрытия на поверхности литейного колеса находится в диапазоне 0,2-0,9 мм, при этом предпочтительная толщина в диапазоне 0,3-0,5 мм;

в) подачу расплава алюминия или его сплавов в открытые изложницы литейного конвейера через непрерывно вращающееся литейное колесо, с предварительно нанесенным противопригарным покрытием на его внутреннюю рабочую поверхность, с формированием тонкого плакирующего слоя-гарнисажа за счет кристаллизации расплава алюминия или его сплавов, по меньшей мере, в течение первого оборота литейного колеса, со средней толщиной плакирующего слоя-гарнисажа в интервале 0,18-0,55 мм, причем толщина плакирующего слоя-гарнисажа существенно не изменяется на протяжении всего периода литья и остается в пределах диапазона 0,18-0,55 мм.

Средний фракционный состав наполнителя, влияющий прежде всего на толщину и шероховатость покрытия, находится в диапазоне 45-100 мкм, предпочтительно 70-90 мкм, поскольку затвердевающий расплав и, соответственно, образующийся слой-гарнисаж способен механически зацепиться за выступы покрытия с образованием более равномерной и стабильной корочки сплава. Шероховатость покрытия, отпечатанная на фрагменте слоя-гарнисажа, видна на фиг. 3.

Формирование слоя-гарнисажа толщиной в диапазоне 0,18-0,55 мм на поверхности литейного колеса осуществляют за счет кристаллизации алюминия или его сплавов. Формирование и стабильный слой показаны на фиг. 1 и 2.

Механизм образования плакирующего слоя-гарнисажа на внутренней рабочей поверхности литейного колеса следующий: температура литейного колеса при его работе в стабильном режиме 180–300 °С, что ниже температуры ликвидус алюминия и любого алюминиевого сплава, соответственно, расплав при попадании на поверхность колеса кристаллизуется. Время кристаллизации слоя-гарнисажа и его толщина регулируются толщиной слоя противопригарного покрытия.

Слой противопригарного покрытия толщиной менее 0,2 мм технически сложно сформировать при окраске пульверизатором, поскольку могут остаться непрокрашенные места и расплав при контакте с рабочей поверхностью колеса будет пригорать к поверхности литейного колеса, что осложнит последующую чистку, т.е. отделение слоя металла или сплава от поверхности колеса. При формировании противопригарного покрытия толщиной более 0,9 мм возрастает его тепловое сопротивление, что приводит к замедлению кристаллизация расплава на поверхности колеса и не позволяет сформировать равномерный непрерывный плакирующий слой.

При фракционном составе частиц с малым размером частиц наполнителя противопригарного покрытия, например, менее 45 мкм и менее не позволит слою-гарнисажу из алюминия и его сплавов закрепиться на поверхности литейного колеса и тем самым сформировать непрерывный плакирующий слой. При фракционном составе частиц наполнителя противопригарного покрытия более 100 мкм в образовавшихся «несплошностях» будет присутствовать большое количество воздуха, который будет выступать в качестве теплоизолятора и из-за снижения теплопроводности покрытия будет затруднена кристаллизация расплава, что не позволит сформировать непрерывный плакирующий слой.

При осуществлении настоящего изобретения температура расплава должна находиться в определённом интервале, причём для алюминия и для литейных сплавов эти температуры отличаются. Температура расплава алюминия должна находиться в диапазоне от 680 до 720 °С, а температура литейных сплавов, в частности, на основе системы Al-Si, в диапазоне от 677 до 710 °С. При более низких температурах повышается риск переохлаждения расплава, ранней кристаллизации и «замерзания» расплава в носках (выходных отверстиях) литейного колеса, что приведёт к аварийной остановке литья. При температуре выше указанных ограничений избыточное теплосодержание расплава не позволит сформировать на поверхности колеса стабильную корочку слоя-гарнисажа.

Пример осуществления изобретения

Предложенный способ реализован в условиях непрерывного промышленного производства чушек из алюминия марки А8 (ГОСТ11069) и литейных сплавов системы Al-Si, в частности, AlSi7Mg, AlSi7MgSr, AlSi7MgCu0.5 по DIN1706 на автоматических литейных линиях фирмы «Befesa». Масса одной плавки до 60 т; период непрерывной работы линии по предложенному способу около 11 ч с выпуском до 120 т продукции. По предложенному способу объем произведенных литейных сплавов более 4500 тонн и алюминия более 1500 тонн, при этом среднее значение отбраковки чушек при литье со стабильным слоем-гарнисажем составило 0,14 %.

В качестве подтверждения осуществления настоящего изобретения в таблице 1 приводятся различные варианты технологических параметров литья чушек из литейных алюминиевых сплавов и алюминия, включая параметры, обеспечивающие исключение или минимизацию попадания на поверхность и в тело чушки шлаковых включений на этапе разливки расплава. В таблице 2 приведены результаты контроля качества поверхности в виде показателя количество отбракованных чушек по признаку «наличие шлаковых, инородные включения на поверхности чушки».

Таблица 1 – Технологические параметры литья чушки

№ Обозначение сплава/ алюминия Средний фракционный состав покрытия литейного колеса, мкм Толщина слоя покрытия, мм Средняя - толщина слоя-гарнисажа, мм Температура расплава при литье чушки, °С 1 AlSi7MgSr 10 0,30 0,14 683 – 690 2 AlSi7MgSr 40 0,65 0,15 712 – 726 3 AlSi7MgSr 80 0,70 0,42 677 – 689 4 AlSi7MgCu0.5 100 0,55 0,18 680 – 692 5 AlSi7MgCu0.5 75 0,6 0,32 685 – 697 6 AlSi7MgCu0.5 120 0,55 0,25 684 – 699 7 AlSi7MgCu0.5 45 0,90 0,33 701 – 710 8 А8 45 0,4 0,52 680 – 693 9 А8 80 0,65 0,55 702 – 715 10 А8 100 0,20 0,48 713 – 720 11 А8 10 0,6 Отсутствует слой 700 – 715

Таблица 2 – Доля отбракованных чушек

№ Обозначение сплава/ алюминия Масса плавки, тонны Доля отбракованных чушек*, % Примечание 1 AlSi7MgSr 45 1,4 слой-гарнисаж неустойчивый, неравномерный по сечению, местами отсутствует 2 AlSi7MgSr 53 1,9 слой-гарнисаж неустойчивый, неравномерный по сечению 3 AlSi7MgSr 92 0,08 4 AlSi7MgCu0.5 54 0,05 5 AlSi7MgCu0.5 101 0,10 6 AlSi7MgCu0.5 103 2,6 слой-гарнисаж неустойчивый, неравномерный по сечению 7 AlSi7MgCu0.5 48 0,11 8 А8 110 0,16 9 А8 107 0,22 10 А8 112 0,25 11 А8 111 0,88 слой-гарнисаж отсутствует

* по признаку шлаковые, инородные включения на поверхности.

Из представленных результатов следует, что только в случае реализации заявленных параметров, приведенных в таблице 1 (строки 3-5 и 7-10) обеспечивается минимальное количество брака (не более 0,25 %) по признаку шлаковые, инородные включения на поверхности.

Минимальные значения отбраковки чушки для вариантов 3-5 и 7-10 достигнуты благодаря формированию тонкого стабильного плакирующего слоя-гарнисажа, за счет кристаллизации расплава на рабочей поверхности литейного колеса в течение его первого оборота (фиг. 1, и фиг. 2), при этом средняя толщина слоя-гарнисажа находилась в пределах 0,18-0,61 мм (фиг. 3).

В таблице 2 приведено сравнение заявляемого (с гарнисажем) и серийного способа литья (без гарнисажа). За технический результат принята доля чушек, отбракованных по признаку шлаковые, инородные включения на поверхности. Как видно, результат по предложению превышает серийный более чем в 10 раз.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье малогабаритных чушек из алюминия и его сплавов. Способ непрерывного литья чушек из алюминия или его сплавов на литейном конвейере включает подачу расплава в открытые изложницы литейного конвейера через непрерывно вращающееся литейное колесо. Литейное колесо предварительно прогревают до температуры 180-300°С, а на его внутреннюю рабочую поверхность наносят противопригарное покрытие с фракционным составом наполнителя в диапазоне 45-100 мкм. При подаче расплава в изложницы на внутренней рабочей поверхности литейного колеса формируют плакирующий слой-гарнисаж за счет кристаллизации подаваемого расплава, по меньшей мере, в течение первого оборота литейного колеса. Обеспечивается исключение или минимизация попадания оксидных шлаковых включений, формирующихся в непрерывно вращающемся литейном колесе на этапе разливки расплава, на поверхность и в тело чушки, формируемой в изложнице. 5 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 пр., 2 табл.

1. Способ непрерывного литья чушек из алюминия или его сплавов на литейном конвейере, включающий предварительный прогрев литейного колеса до температуры 180-300°С, нанесение на внутреннюю рабочую поверхность литейного колеса противопригарного покрытия с фракционным составом наполнителя в диапазоне 45-100 мкм, далее подачу расплава алюминия или его сплавов в открытые изложницы литейного конвейера через непрерывно вращающееся литейное колесо с формированием тонкого плакирующего слоя-гарнисажа за счет кристаллизации расплава алюминия или его сплавов, по меньшей мере, в течение первого оборота литейного колеса.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя противопригарного покрытия используют оксиды металлов, графит и другие порошкообразные материалы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плакирующий слой-гарнисаж на внутренней рабочей поверхности вращающегося литейного колеса формируют при температуре расплава алюминия в диапазоне от 680 до 720°С.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плакирующий слой-гарнисаж на внутренней рабочей поверхности вращающегося литейного колеса формируют при температуре расплава литейного алюминиевого сплава в диапазоне от 677 до 710°С.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плакирующий слой-гарнисаж на внутренней рабочей поверхности вращающегося литейного колеса формируют толщиной со средним значением в интервале 0,18-0,55 мм и его толщина существенно не изменяется на протяжении всего периода литья.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоя противопригарного покрытия на поверхности литейного колеса находится в диапазоне 0,2-0,9 мм, предпочтительно 0,3-0,5 мм.