автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение комплекса физико-механических свойств полуфабрикатов из малолегированного алюминиевого сплава

ВВЕДЕНИЕ

Глава.I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Литературный обзор

1.2* Анализ существующего технологического процесса 27 1*3. Анализ методики контроля физико-механических свойств катанки.

Выводы.

Глава.2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2#1* Металлографический анализ.

2.2. Экспериментальные исследования технологического процесса

2.3. Расчет теплопроводности

2.4. Расчет диффузии

Глава.3* ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ АЛЮМИНИЕВОЙ КАТАНКИ.

3*1. Структура заготовки

3.2. Особенности неравновесной кристаллизации в ро . торном кристаллизаторе*.

3.3. Влияние температуры и времени выдержки на. неравновесные структуры алюминиевых сплавов. Выводы.

Глава.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

4.1. Зависимость свойств катанки от режимов литья.

4*2. Зависимость свойств катанки от режимов прокатки

4.3. Зависимость свойств катанки от условий охлаж-. дения после прокатки.

4.4. Зависимость свойств катанки и проволоки от.химического состава и режимов термической обра ботки.

Выводы.

Глава.5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 133 5Л* Расчет и обоснование, новых параметров технологического процесса.

5»2» Испытание кристаллизатора без базавых колец. 136 5*3. Экспериментальное определение оптимального варианта технологического процесса.

5.4# Усовершенствованная методика контроля физикомеханических свойств катанки

Выводы.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ.

Актуальность темы. На современном этапе развития народного хозяйства СССР одним из основных способов интенсификации производства является систематическое и неуклонное повышение качества всех видов выпускаемой продукции. В решениях ХХУ1 съезда КПСС вопросам повышения качества придается первостепенное значение [IJ.

Способ получения алюминиевой катанки на агрегатах непрерывного литья и прокатки является прогрессивным.По сравнению со способом получения катанки из слитков,он значительно повышает производительность труда и снижает себестоимость катанки* При этом изменяются свойства катанки» так как изменяются условия формирования её структуры,Однако процесс формирования структуры при непрерывном литье в роторном кристаллизаторе и связанные с этим изменения свойств катанки в настоящее время недостаточно изучены.

О степени совершенства.технологического процесса можно судить по качеству получаемой катанки,которое определяется , главным образом, механическими и электрическими свойствами. Самым существенным недостатком катанки является низкая стабильность её свойств. Так разброс значений предела прочности достигает 25%, относительного удлинения - 100$ и удельного электросопротивления - Имеются случаи брака по механи -• ческим свойствам. Значительная часть катанки не соответствует высшей категории по удельному электросопротивлению.Вместе с тем требования к катанке постоянно повышаются. В 1977 году, на БрАЗе встал остро вопрос о повышении пластичности катанки. С начала 1980 года к катанке высшей категории стали предъявлять требования по удельному электросопротивлению, а с 1981 года поставлена задача наладить выпуск твердой катанки марки АКЛП-5Т.

Выцуск катанки, удовлетворяющей всё возрастающим требованиям, возможен только после проведения научно-обоснованных мероприятий по совершенствованию технологического процесса» В настоящее время технологический процесс еще недостаточно изучен. Не всегда удается изменить свойства катанки в желаемом направлении. В связи с этим исследования»связанные с повышением качества катанки приобретают, особую актуальность.

Актуальными также являются исследования по совершенст -вованию методики контроля механических и электрических свойств катанки• Существующая методика имеет ряд недостатков.Пробы катанки, взятые для контроля, не отражают истинных свой -ств катанки в бухте» С большой погрешностью определяются значения относительного удлинения и удельного электросопротивления, Возможны случаи.неправильных заключений о браке катанки по пределу прочности»

Данная работа выполнена в рамках "Комплексной целевой программы работ, направленных на повышение эффективности применения, экономии и рационального использования алюминия в кабельной промышленности на 1981-85 г.г," .

Цель работы; На основе экспериментальных и теоретических исследований о влиянии различных технологических факторов на структуру.и. свойства катанки разработать рекомендации,обеспечивающие улучшение качества катанки и повышение производи -тельности агрегатов. Разработать более совершенную методику контроля механических и электрических свойств катанки. Внед -рить результаты исследований в производство.

Научная новизна. Выявлены закономерности неравновесной кристаллизации в роторном кристаллизаторе* Определены зависимости размеров наружной зоны заготовки,имеющей более тонкую структуру, от толщины стенки литейного колеса, толщины слоя накипи и размеров заготовки. Определены зависимости размеров интерметаллидов и расстояний между ними от скорости охлаждения.

Выявлены закономерности изменения микро- и макроструктуры заготовки в процессе прокатки. Установлена зависимость размеров зерен от скорости прокатки и температуры. Исследован процесс дробления и коагуляции интерметаллидных фаз по сечению заготовки на каждой стадии прокатки. Выявлен эффект саморегулирования температурного режима прокатки.при разогреве заготовки до температуры выше нонвариантной.

Установлено, что алюминий марки А5Е может закаливаться из жидкого состояния и подвергаться естественному и искусственному старению. Исследована зависимость физико-механических свойств катанки от режимов термической обработки. Разработаны новые методики расчета нестационарной теплопроводности и диффузии* . . .

Основные вопросы, вынесенные на защиту:

1. Формирование структуры алюминиевой катанки.

2. Влияние технологических факторов и режима термической обработки на механические и электрические свойства катанки.,

3. Совершенствование методики контроля механических и электрических свойств катанки. Методики расчета нестационарной теплопроводности и диффузии.

Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности» Выявлены основные причины, снижающие качество катанки. Разработаны рекомендации, обеспечивающие повышение производительности литейно-прокатных агрегатов и улучшение качества катанки. Созданы новые методики расчета теплопроводности и диффузии, позволяющие спроектировать более совершенную конструкцию роторного кристаллизатора, определить оптимальные размеры литейного колеса и заготовки, установить оптимальные параметры технологического процесса. На основе исследований,' проведенных автором совместно с работниками Братского алюминиевого завода, создана установка для измерения удельного электросопротивления у катанки потенциометрическим методом, испытан и внедрен в производство кристаллизатор без базовых колец, внесены изменения в технологический процесс получения катанки и методику контроля механических и электрических свойств катанки.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конфе -ренциях и семинарах: ежегодные научно-технические конфе -ренции Братского индустриального института в период с 1975 по 1984 год; научный семинар кафедр "Металловедение и термообработка" и "Литейное производство" Пермского политехнического института в 1976 г.; научно-техническая конфе -ренция в институте ВАМИ в 1977 году} научные семинары кафедры "Металловедение" Ленинградского политехнического института в 1980, 1981, 1983 и 1984 годах.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в четырех печатных работах и в двух отчетах по НИР.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ. - -I» Низкая стабильность свойств катанки обусловлена несовершенством существующего технологического процесса.Он не позволяет поддерживать постоянными режимы литья и прокатки, не обеспечивает одинаковые условия охлаждения для всей катанки после прокатки, допускает значительную вытяжку катанки при намотке её в бухты.

2. При исследовании процесса формирования структуры и свойств катанки было выявлено в какой степени свойства катанки зависят от.режимов литья и в какой от режимов прокатки.Дана примерная оценка температурного режима на различных стадиях прокатки» Установлено, что для получения высоких физико -механических свойств катанки нужно обеспечить максимально возможную скорость охлаждения заготовки в кристаллизаторе и низкую, не выше 300т350°С, температуру заготовки на последних стадиях прокатки* . .

3. С помощью новых методик расчета процессов теплопроводности, и диффузии произведен-количественный расчет неравновесной кристаллизации.в. роторном, кристаллизаторе. Результаты расчета хорошо подтверждают выводы, сделанные на основе экспериментальных исследований. .

Экспериментально доказано,, что. алюминий марки А5Е мс ■:-жет закаливаться из жидкого состояния и подвергаться естест -венному и искусственному старению. Чем больше глубина закаленного слоя у заготовки, тем выше свойства у. катанки. Из. заготовки с.неравновесной структурой можно получить катанку марки

АКЛП-5Т. . .

5. Разработана методика теплового расчета роторного кристаллизатора. С её помощью расчитаны все параметры теплового процесса в кристаллизаторе на трех стадиях затвердевания загоI товки».Определены оптимальные размеры заготовки и бандажа,

6. На основе результатов исследований структуры многих заготовок разработана методика теплового расчета прокатного стана; Эта методика дала возможность произвести тепловой расчет существующего стана и рассчитать основные характеристики стана для производства катанки марки АКЛП-5Т.

7. Физико-механические свойства катанки и проволоки имеют наследственную связь. Экспериментально, показано, в какой степени изменение режимов литья, прокатки, термической обработки и химического состава катанки изменяет свойства проволоки. Установлено, что самое хорошее сочетание физико-механических свойств имеет проволока,изготовленная из катанки марки АКЛП-5Т.

8. Быстрое охлаждение катанки после прокатки предотвращает её-отжиг в бухтах. При этом обеспечиваются стабильные свойства у катанки и облегчается контроль физико - механических свойств. Появляется возможность надежно,гарантировать качество всей катанки, поступающей к потребителю. 9, Существующий технологический процесс не позволяет получать катанку марки. АКЛП-5ПТ высшей категории и катанку марки АКЛП-5Т. В первом, случае катанка не удовлетворяет требованиям ГОСТа по удельному электросопротивлению, а во втором - по удельI ному электросопротивлению и по пределу прочности. В таблице приведены основные характеристики технологического процесса для получения данных, марок катанки. Для сравнения приведены характеристики существующего технологического процесса.

- 153

Предложения по совершенствованию технологического процесса получения алюминиевой катанки.

Основные характеристики технологического процесса i 1 существующего 1 предлагаемого

Химический состав алюминия Fe. 0Л8 - 0,35 0,33 - 0,35 марки А5Е, % . SL 0,08 - 0,15 0,08 - 0,10

Температура металла, подавае - мого в кристаллизатор, °С 690 ~ 730 690 - 700

Тип роторного кристаллизатора с базовыми кольцами без базовых колец

Тип бандажа сварной цельнокатайный

Диаметр бандажа, мм 1500 3150

Площадь сечения литой заготовки 2 мм »

3220 3220

Форма сечения литой заготовки трапецеидальная пятиугольная

Число оборотов колеса кристал- . лизатора, об/мин. 2,0 - 2,6 2,7 - 2,8

Температура заготовки - перед прокаткой, °С 480 - 520 555 - 565

Калибровка первых двух"клетей треугольник- шестиугольникстана треугольник треугольник

Температура заготовки в первых

12 клетях, °С 520 - 600 590 - 600

Температура заготовки в по - ~ следних 5 клетях, С 450 - 520 300 - 310

-

Температура катанки перед намоткой в бухты, С 450 - 500 .50 - 60 . .

Прибор для определения электросопротивления катанки. двойной мост потенциометр

Производительность агрегата, т/час. 5 14,5

- 154

1. Материаоы ХХУТ съезда КПСС. М.,Политиздат,1981.

2. Софинский П,И.,Ершов И.М.Современные агрегаты непрерывной разливки цветных.металлов в СССР и за рубежом.М,,Нии-информтяжмаш, 1965 ,вып.7-65-8.

3. Целиков А.И.Металлургические машины и агрегаты:настоящее и будущее. . М», Металлургия, 1979.

4. Никерова Л.Ф.,Чернова Л.И. Непрерывные способы получения литых заготовок для производства.полуфабрикатов из цветных металлов. М.,Цветметинформация, 1973.

5. Диамидов Б.Б. Станы для производства катанки.М.,Металлургия, 1972,6. tfa£4tytp Wafr/a/nev ш //ewfe&wfi ж Ifczztetafarft fiк Ж /ГМ w/ ■ tftatf* /0Р. S/, SY.

6. Альтман М.Б. и.др. Алюминиевые сплавы.Плавка и литье алюминиевых сплавов. М., Металлургия,.1983.8* Бочвар А,А,.Металловедение. М.,Металлургиздат,1956.

7. Альтман М.Б. и др.Алюминиевые сплавы.Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы.М»,Металлургия, 1972.

8. Беляев А.И. и др.Алюминиевые сплавы. Металловедение алюминия и его сплавов. М.,Meталлургиздат, 1971.1. P-W-J0. /

9. Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными, металлами. М., Мета ллургиздат, 1975»

10. Калачев Б.А. и др.Металловедение и термическая обра -ботка цветных металлов и сплавов. М.,Металлургиздат, 1972.- 155 14.^Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. М., Металлургиздат, 1979.

11. Мальцев М.В.Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. М.,Металлургия, 1970.

12. Арчакова З.Н.и др.Алюминиевые сплавы.Структура и свой-, ства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов.М.,Металлургия,1974.

13. Оно А. Затвердевание металлов. М.,Металлургия,1980.

14. Добаткин В.И. Непрерывное литье и литейные свойствасплавов, М., Оборонгиз, 1948.

15. Hasbez М2-/. Ша^жЖ, /т. tfe/б. .

16. Аношкин Н.Ф. Зональная химическая неоднородность слитков. М.,Металлургия,.1976. . .

17. Шоршоров М.Х.и др.Сверхпластичность металлических материалов. М.,Hayка,.1973.

18. Микляев П.Г. Сопротивление деформации и пластичность алюминиевых сплавов. М.,Металлургия, 1971.

19. Мамег/. Т.& Met Tzavs. SfWS

20. Лихачев В.А. и др. Сверхпластичность алюминия и его структура. Черноголовка,. 1973. .

21. Лихачев В.А.и др.О природе сверхпластичности.Черноголовка,. 1979.26. ^У/» ^f , /Ш VI

22. Альтман М.Б.и др.Алюминиевые.сплавы.Применение алюминиевых, сплавов. М.»Металлургия, 1973.28.~Ван ФлекЛ. Теоретическое и прикладное материаловедение. М.,Атомиздат, 1975.

23. Материалы научно-технического совещания на тему: "Непрерывные и совмещенные методы литья и прокатки цветных ме -таллоы и их сплавов" ВАМИ.,Л.,1973.

24. Новиков В.Н. Физические и механические свойства ме- 156 таллов.,М.,МИСИС,.1976. .31» Мортон К.Смит.Основы физики металлов.М.Металлургиздат. 1959.

25. Котрелл А.Х.Строение металлов и сплавов.М.,Металлург-издат. 1961. .

26. Юм-Розери.В.,Рейнор Г.В.Структура металлов и сплавов. М., Металлургиздат,.1959.

27. Гуляев А.П. Металловедение. М.,Металлургия, 1977. .

28. Исаченко В.П. и.др. Теплопередача.М.,Энергия, 1969.

29. Берин И.Ш. и др. Производство медной и алюминиевой проволоки. М., Металлургия, 1975.

30. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. (Справочное пособие). Том I. Физические методы исследования металлов. М.,Машиностроение, 1971*

31. Пшеничнов Ю.П. Выявление тонкой структуры кристаллов. М., Металлургия, 1974.

32. Вишняков Я.Д. Современные.методы исследования структуры деформированных кристаллов. М.,.Металлургия» 1975.

33. Скворцов Г.Е. Микроскопы Д., Машиностроение,.1969.

34. Кан Р.Физическое металловедение. Вып.2.,Мир.,1968.

35. Лыков А.В.Теория теплопроводности.М.Высшая школа,1967.

36. Михеев М.А.,Михеева И.М.Краткий курс теплопередачи.М. Л.Госэнергоиздат, I960.

37. Жуковский B.C. Основы теории теплопередачи. Л. Энергия. 1969. .

38. Тайц Ю.Ю* Технология нагрева стали. М.Металлургиздат. 1962. .

39. Лебедев И.С.,Телегин А.С. Нагревательные печи. М. Свердловск. Машгиз. 1962.- 157

40. Рустем С.JI, Оборудование и проектирование термических цехов. М. Машгиз, 1962.

41. Головинцов А.Г.,10даев Б.Н.,Федотов Е.й. Техническая термодинамика и теплопередача. М.Машиностроение, 1970.

42. Герцрикен С.Д.,Дехтяр И.Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. М. Физматгиз, I960. . .

43. Шъюмон П.Диффузия в твердых телах.М.Металлургия, 1966.

44. Маннинг Дж. Кинетика диффузии атомов в кристаллах. М.1. Мир, 1971. .

45. Лахтин. Ю.М.,Леонтьева В.М. Материловедение. Машиностроение, 1980. .

46. Дж.КэйД.Лэби. Таблицы физических и химических постоянных. .М.,Физматгиз,.1962.

47. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М.,Металлургия, 1975.

48. Крестовников А.Н.,Вигдорович В.Н.Химическая термодинамика. М.,Металлургия, 1973.

49. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов.М., Металлургия, 1974. ".

50. Келли А.,Никлсон Р.Дисперсионное твердение. М., Металлургия, 1966.

51. Фотографии и рисунки 33 Ч* Таблицы 55. Литература 46. Материалы о внедрении I7. Текстовая часть 112