автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Теоретические и технологические основы ресурсосберегающих технологий производства высококачественных отливок из алюминиевых сплавов

1г7т

; ('осот

» /

19'

3'

рисудыл ученую га-яепь ДОК л.' ао-иОХ' ¿-¿¿'СГШс с.4>-\/...

/

На^&дьник

зз-г

/ Т ]%,

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Кандидат технических наук БЕЛОВ Владимир Дмитриевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05 Л 6.04 "Литейное производство"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................. &

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПЛАВКИ И ЗАТВЕРДЕВАНИЯ СИЛУМИНОВ ( ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ )..............................................................

1.1. Особенности переплава стружки алюминиевых сплавов...... ..............10

1.2. Окисление алюминия и сплавов на его основе............................^

1.3. Рафинирование алюминиевых сплавов газами......... .................. 17

1.3.1. Рафинирование алюминиевых расплавов от водорода и

неметаллических включений при помощи инертных газов.................... ^ ^

1.3.2. Эффективность рафинирования алюминиевых сплавов

при различных способах введения газа..................................... ^ ^

1.3.3. Комбинированные способы рафинирования алюминиевых расплавов .... ^^ 1 .4. Производство отливок из заэвтектических поршневых силуминов ... ......

1.4.1. Заэвтектические поршневые силумины............................... ^^

1.4 Л. 1. Характеристика условий работы поршней и основные требования

к поршневым сплавам.................................................... 1

1.4.1.2. Состав и свойства поршневых заэвтектических силуминов ....

......... 35

1.4.2. Повышение механических и эксплуатационных свойств

36

поршневых заэвтектических силуминов.................................... - ' ^

1.4.2.1. Рафинирование поршневых заэвтектических силуминов ,....

.......... 38

1.4.22. Модифицирование заэвтектических силуминов....................... 59

1.4.2.3. Мнкролегирование силуминов ..................................... ^

1.4.3. Влияние примесей на структуру и свойства заэвтектических силуминов ... ^

1.4.3.1. Примеси в силуминах..............................................

1.4.3.2. Влияние примесей на структуру и свойства заэвтектических силуминов ..

1.4.4. О распределении кристаллов первичного кремния

в отливках из заэвтектического силумина................................... <£1.4.5. Анализ применяемых технологий обработки расплавов

заэвтектических силуминов............................................... ° и

2. ВЛИЯНИЕ ПЕЧНОЙ АТМОСФЕРЫ И РЯДА ПРИМЕСЕЙ В МЕТАЛЛЕ

НА ПРОЦЕСС ОКИСЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОЙ СТРУЖКИ.................... 56

2.1. Влияние печной атмосферы и ряда примесей в металле на процесс окисления алюминиевой стружки.......................................... 5 б

2.2. Влияние печной атмосферы на процесс окисления стружки силумина......

2.3. Разработка технологии переплава стружки алюминиевых сплавов ........ 70

3. РАФИНИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ РАСПЛАВОВ ПРОДУВКОЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ СТРУЕЙ ИНЕРТНОГО ГАЗА........................ ^

3.1. Строение газового факела в жидкой среде........... ..................... 75

3.2. Эффективность диспергирования высокоскоростной струи газа

в жидкости.................... .......................................... 81

3.3. Оптимизация технологических параметров продувки алюминиевых расплавов высокоскоростной струей инертного газа......................... &&

3.4. Разработка конструкции фурмы и дегазирующей установки для высокоскоростной продувки алюминиевых расплавов....................... 92

3.5. Некоторые аспекты внепечной обработки алюминиевых расплавов....... ^ 6

3.5.1. Повышение эффективности очистки от водорода при внепечной

Я А

обработке алюминиевых расплавов........................................

3.5.2. Повышение эффективности очистки от неметаллических включений

при внепечной обработке алюминиевых расплавов.......................... 400

3.5.3. Технология внепечной обработки алюминиевых расплавов..... ......... 103

3.6. Промышленное опробование технологии внепечной обработки алюминиевых расплавов с использованием продувки высокоскоростной

104

струей инертного газа....................................................-1ин

3.6.1. Анализ производства алюминиевых сплавов...........................Ю4

3.6.2. Опробование технологии внепечной обработки алюминиевых

расплавов в условиях МЗАС..............................................№ 5

3.6.3. Опробование технологии внепечной обработки алюминиевых расплавов в условиях завода "Нжмаш".....................................

4. НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИЛУМИНОВ.........................................

4.1. Закономерности ликвации КПК при кристаллизации

116

заэвтектических силуминов...............................................

4.1.1. Влияние изменения плотности кремния в интервале

температур 620-577 °С на скорость всплываиия КПК.........................

4.1.2. Влияние изменения плотности расплава в интервале

температур 620-577 °С на скорость всшшвання КПК......................... И ^

4.1.3. Влияние изменения вязкости расплава в интервале

температур 620-577 °С на скорость всплывания КПК........................ 120

4.1.4. Влияние изменения размера КПК в интервале температур 620-577 °С

121

на скорость их всплывания................................................ -ис- -14.1.5. Расчет скорости всплывания "комплекса" кристалл кремния-водород

в расплаве силумина А1-1 б%$1............................................. 129

42. Влияние примесей на формирование микроструктуры

Р)

бинарных силуминов..................................................... х

4.3. Влияние водорода на процесс кристаллизации

144

и микроструктуру заэвтектических силуминов.............................. ^ т

4.4. Влияние наводорожнвания на процесс кристаллизации и микроструктуру заэвтектических силуминов, модифицированных фосфором..................

4.5. Влияние кальция на процесс кристаллизации и

микроструктуру заэвтектических силуминов................................164

4.5.1. Влияние кальция на процесс кристаллизации и микроструктуру

бинарных заэвтектических силуминов..................................... ^^

4.5.2. Влияние кальция на процесс кристаллизации

176

и микроструктуру поршневых заэвтектических силуминов....................11 ^

5. ВЛИЯНИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ И ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ ПРЕПАРАТОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ

СИЛУМИНОВ...............................................................

5.1. Влияние РЗМ на процесс кристаллизации, микроструктуру

и свойства заэвтектических силуминов.....................................

5.1.1 Влияние РЗМ на процесс кристаллизации и микроструктуру

заэвтектических силуминов...............................................

5.12. Влияние РЗМ на микротвердость фазовых

составляющих заэвтектических силуминов................................. 9

5.1.3. Влияние РЗМ на твердость поршневого заэвтектнческого силумина

при комнатной и повышенной температурах................................

5.1.4. Влияние РЗМ на коэффициент линейного расширения

196

заэвтектических силуминов............................................... х ' ^

52. Влияние совмещенной обработки РЗМ и фосфорсодержащими препаратами на процесс кристаллизации, микроструктуру и свойства

ш

поршневых заэвтектических силуминов.................................... х ^

52.1. Разработка модификатора для заэвтектических силуминов .... .........200

52.1 Л Влияние феррофосфора на микроструктуру бинарного

205

заэвтектического силумина..............................................

5.2,2 Оптимизация технологических параметров процесса модифицирования

поршневых заэвтектических силуминов.................................... 206

5,2.3. Разработка составов модифицирующих препаратов

для заэвтектических силуминов........................................... 212

52.4. Влияние состава модифицирующих препаратов на микроструктуру

и свойства заэвтектических силуминов.................................... (ИЪ

52.5. Длительность сохранения эффекта модифицирования заэвтектических силуминов при обработке модифицирующими препаратами ................. 225

52.6. Влияние совмещенной обработки модифицирующими препаратами и РЗМ на процесс кристаллизации и микроструктуру поршневого

207

заэвтектического силумина............................................. с ^1

5.2.7. Влияние совмещенной обработки заэвтектических силуминов модифицирующими препаратами и РЗМ на микротвердость кристаллов

2 30

первичного кремния и а-твердого раствора.................................с

5.2.8. Влияние совмещенной обработки модифицирующими препаратами и

РЗМ на механические и технологические свойства заэвтектических силуминов . .с -)С-

5.2.9. Влияние совмещенной обработки расплавов модифицирующими препаратами и РЗМ на коэффициент линейного расширения поршневых заэвтектических силуминов...............................................

6. РАЗРАБОТКА И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СИЛУМИНОВЫХ РАСПЛАВОВ ИЗ НИЗКОСОРТНОЙ ШИХТЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЛЕКСНОЙ

ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ..................................................

6.1. Технология совмещенного рафинирования, модифицирования и микролегирования заэвтектических силуминов............................2 Ь7

6.1 Л. Результаты опытно-промышленного опробования технологии внепечного совмещенного рафинирования, модифицирования

и мшфолегирования сплава АК21 М2,5Н2,5.................................251

6.1.2. Результаты опытно-промышленного опробования технологии совмещенного рафинирования, модифицирования и микролегирования

сплава КС 740........................................................... ^^

62. Технология приготовления доэвтектических и эвтектического силуминов из низкосортной шихты с применением комплексной внепечной обработки

расплава................................................................262

62Л,Разработка технологии приготовления доэвтектического силумина из низкосортной шихты с применением комплексной внепечной обработки расплава................................................................<6.2.2. Опытно-промышленное опробование технологии приготовления доэвтектического силумина из низкосортной шихты с применением комплексной обработки расплава в условиях ТОО "Прома" ................... 2 6?

6.2.3. Опытно-промышленное опробование технологии приготовления эвтектического силумина из низкосортной шихты с применением

комплексной внепечной обработки расплава в условиях АОЗТ "Панда"........272

ВЫВОДЫ...................................................................

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................281

ПРИЛОЖЕНИЯ ..............................................................302

ВВЕДЕНИЕ

В условиях складывающихся рыночных отношений и экономического кризиса в России на машиностроительных предприятиях страны стали уделять все больше внимания конкурентоспособности выпускаемой продукции, которая обеспечивается постоянным повышением ее качества и снижением затрат на производство.

Следует отметить, что в настоящее время решение этих задач усложняется разрывом связей кооперированных поставок между заводами, отсутствием сбалансированной политики в области ценообразования и целым рядом других причин. В результате этого на машиностроительных предприятиях стали осваивать несвойственные им ранее технологические процессы, например, переработку образующихся отходов алюминия и сплавов на его основе с целью повторного их использования.

В связи с этим все более актуальной становится разработка экологически чистых технологий плавки и литья сплавов на основе алюминия, позволяющих организовывать на машиностроительных заводах замкнутый технологический цикл использования металла. При этом в шихту должны включаться не только кусковые компактные отходы, но и весь объем стружки, образующейся при механической обработке отливок.

Как известно, стружка является низкосортной шихтой, склонной к интенсивному окислению. Она снижает качество получаемого расплава, обогащая его водородом и неметаллическими включениями. Поэтому требуется разработка специальной технологии приготовления алюминиевых расплавов с применением стружки, которая позволяет использовать их для изготовления отливок любой сложности и назначения и адаптирована к условиям машиностроительных предприятий.

Для повышения качества расплава, приготовленного из низкосортной шихты, требуется его глубокая очистка от водорода и неметаллических включений. Поэтому необходимо разработать эффективную экологически чистую технологию рафинирования расплавов на основе алюминия.

Как известно, качество отливок и их эксплуатационные свойства определяются не только чистотой сплава (содержанием водорода и неметаллических включений), но и его структурой. Для заэвтектичееких силуминов, из которых изготавливают поршни для тяжелойагруженных двигателей внутреннего сгорания, важным

показателем качества являются размер кристаллов первичного кремния и равномерность их распределения в отливке.

Для модифицирования микроструктуры заэвтектических силуминов применяются различные фосфорсодержащие соединения, однако в литературе нет рекомендаций по комплексной обработке этих сплавов, позволяющей одновременно решать вопросы улучшения структуры, очистки расплава и снижения потерь металла при использовании низкосортной шихты. Нет также указаний по оптимальному микролегированию заэвтектических силуминов, обеспечивающему повышение их эксплуатационных свойств (коэффициента линейного расширения, твердости при повышенных температурах и др.)

В свете изложенного, в данной работе рассмотрены вопросы влияния печной атмосферы на процесс окисления алюминиевой стружки; разработки технологии рафинирования силуминовых расплавов продувкой высокоскоростной струей инертного газа и конструкции дегазирующей установки для ее осуществления; выявления причин ликвации кристаллов первичного кремния при затвердевании заэвтектических силуминов и влияния на процесс их кристаллизации РЗМ, а также примесей водорода и кальция. Кроме того, исследован вопрос снижения коэффициента линейного расширения заэвтектических силуминов при микролегировании их РЗМ и модифицировании фосфором.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПЛАВКИ И ЗАТВЕРДЕВАНИЯ СИЛУМИНОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ)

1 Л. Особенности переплава стружки алюминиевых сплавов

Как известно, на машиностроительных заводах при изготовлении деталей из отливок и других заготовок из алюминиевых сплавов образуется большое количество стружки. Так, в зависимости от способа литья масса стружки может достигать 50% от массы отливки. В рамках машиностроительной отрасли количество образующейся в процессе производства стружки составляет сотни тысяч тонн в год. Учитывая также все возрастающую дефицитность и дороговизну первичных материалов, во всем мире все больше внимания уделяется вопросам переработки стружки и снижения потерь металла при те переплаве. Повысить эффективность переработки стружки пытаются как путем совершенствования процесса ее подготовки к плавке, так и процесса самой плавки, а также разработкой специализированного оборудования.

Учитывая металлургическую направленность настоящей работы, ниже рассмотрим вопросы, связанные только с технологическим процессом переплава стружки алюминиевых сплавов.

Рассматривая алюминиевую стружку как шихту, можно выделить следующие ее особенности. С одной стороны - это сыпучий материал, достаточно удобный для загрузки в печь, с другой стороны, стружка имеет большую удельную поверхность и, как следствие, значительную поверхность контакта с атмосферой печи, в результате чего предрасположена к интенсивному окислению. Поэтому при переплаве необходимо принимать меры для снижения скорости окисления стружки.

С целью уменьшения потерь на окисление в работе /1/ предложено загружать стружку под зеркало жидкого металла посредством наклонных каналов в стенке печи, по которым ее проталкивали вручную или с применением шнекового привода.

В США получила широкое распространение отражательная печь с открытой выносной ванной (камерой) - "печь с открытым колодцем" /2/. Выносная камера не отапливается. Циркуляция жидкого металла между открытым колодцем и зазфытой ванной печи создается с помощью установленного в выносной камере гидронасоса. Одним из основных преимуществ этих печей по сравнению с обычными отражательными печами является меньший угар металла. Это обусловлено

отсутствием контакта стружки и жидкого металла с атмосферой печи, так как в закрытой камере печи расплав в процессе всего периода плавки находится под слоем похровно-рафинирующего флюса. В открытом колод це стружка контактирует только с атмосферой цеха. Угар металла при плавке стружки в печах такого типа обычно не превышает 4-5%. Однако печи подобной конструкции в литейных цехах машиностроительных заводов не применяются в силу специфики используемых шихтовых материалов.

Представляет интерес с точки зрения металлургического выхода (97,4%) разработанная в США установка для плавки стружки разогретым жидким флюсом состава: 45% ШС1, 50% КС! и 5% ИазАШ /1/. Существенным недостатком этого процесса является его энергоемкость и технологическая сложность.

В европейских странах широкое распространение для плавки стружки получили барабанные вращающиеся печи /1/. Стружка в печь загружается либо вручную, либо машинами с помощью небольших мульд. Флюс подают в печь одновременно со стружкой. Скорость вращения печи составляет 1-2 об/мин и регулируется в зависимости от условий плавки. Для переплава стружки в таких печах используется флюс состава: 90% НаС1 -10% СаРг или 95%