1.4. Производство алюминия

Алюминий– легкий металл плотностью 2700 кг/м³, температурой плавления 658С. В отожженном состоянии алюминий обладает малой прочностью и твердостью 25 НВ, но весьма пластичен. Высокая коррозионная стойкость алюминия в пресной воде, атмосфере и некоторых других средах обусловлена образующейся на поверхности металла оксидной пленкой, защищающей металл от дальнейшего окисления. Благодаря высокой электропроводности и пластичности алюминий широко применяют в электротехнической промышленности для изготовления шин, проводов, кабелей и др.

В авиационной промышленности алюминий используют для изготовления труб, маслопроводов и бензопроводов, в пищевой промышленности – для изготовления фольги; широко применяют его и для изготовления посуды. Алю­миний используют также в качестве раскислителя при производстве стали.

Металлический алюминий получают электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите AlF₃NaF при температуре 950-970С в специальных печах-ваннах, работающих при силе тока 130000-150000 А и напряжении 4-4,5 В. Глинозем получают химической обработкой бокситов или нефелинов – алюминиевых руд, содержащих глинозем.

Электролиз глинозема для получения металлического алюминия производят в электролизерах. Схема одной из конструкций представлена на рис.6.

Ванна, заключенная в стальной кожух, внутри футерована углеродистыми блоками. В футеровку пода вмонтированы катодные шины, и сам корпус ванны служит катодным устройством установки. Анодное устройство состоит из вертикального самообжигающегося угольного электрода, нижняя часть которого погружена в электролит – расплав, состоящий из глинозема Al₂O₃(8-10 %) и криолита – фторида алюминия и натрия Na₃AlF₆.

Электролит нагревается до рабочей температуры 930-950 С теплом, выделяющимся при прохождении тока между анодом и катодом. При электролизе анод постепенно сгорает и его перемещают вниз. Для непрерывного наращивания электрода в его обечайку подается полужидкая анодная масса, состоящая из молотого кокса и каменноугольной смолы. По мере опускания вниз она спекается и коксуется.

Алюминий и его сплавы с кремнием получают также электротермическим способомв дуговых электрических печах с проводящим подом. Так выплавляют сплав, называемый силикоалюминием (40-70 % Si и 30-60 % Al), из которого изготавливают широко применяемые в машиностроении сплавы – силумины. Силикоалюминий применяют также для получения чистого алюминия и раскисления стали. Извлеченный из ванны алюминий рафинируют обычно продувкой хлора.

Чтобы получить высокую степень чистоты, металл подвергается электролитическому рафинированию, при котором загрязненный металл (анод) растворяется, чистый металл откладывается на катоде, а примеси осаждаются на дно.

2. Литейное производство

2.1. Основные понятия и определения

Литейное производство(литье) – это способ изготовления заготовки или готового изделия путем заливки расплавленного металла в полость заданной конфигурации с последующим его затвердеванием.

Заготовки или изделия, получаемые методом литья, называют отливками.

Полость, заполняемая жидким металлом при литье, называется литейной формой.

Назначение литейной формы:

 обеспечение необходимой конфигурации и размеров отливки;

 обеспечение заданной точности размеров и качества поверхности отливки;

 обеспечение определенной скорости охлаждения залитого металла, способствующей формированию требуемой структуры сплава и качества отливок.

По степени использования формы делят на разовые, полупостоянные и постоянные.

Разовые формы служат для получения только одной отливки, изготавливают их из кварцевого песка, зерна которого соединены каким-либо связующим веществом.

Полупостоянные формы –это формы, в которых получают несколько отливок (до 10-20), такие формы изготавливают из керамики.

Постоянные формы –формы, в которых получают от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч отливок. Такие формы изготавливают обычно из чугуна или стали.

Основной задачей литейного производства является получение отливок с максимальным приближением формы и размеров поверхности к аналогичным параметрам готовой детали с целью уменьшения трудоемкости последующей механической обработки. Основное достоинство формообразования заготовок литьем – возможность получения разнообразных по массе заготовок практически любой сложности непосредственно из жидкого металла.

Стоимость литых изделий нередко намного меньше, чем изделий, изготовленных другими способами, однако для литья применимы не любые сплавы, а только те, которые обладают хорошими литейными свойствами. Основными литейными свойствами являются:

1. Жидкотекучесть– способность жидкого металла заполнять литейную форму, точно повторяя ее конфигурацию.

Чем выше жидкотекучесть, тем литейный сплав лучше. У стали и чугуна это свойство уменьшается с увеличением содержания серы и повышается с увеличением содержания фосфора и кремния. Перегрев сплава выше температуры плавления повышает его жидкотекучесть.

Жидкотекучесть оценивают по длине пути, пройденному жидким металлом до затвердевания. Высокую жидкотекучесть (>700 мм) имеют силумины, серый чугун, кремнистая латунь, среднюю жидкотекучесть (350-340 мм) – углеродистые стали, белый чугун, алюминиево-медные и алюминиево-магниевые сплавы, низкую жидкотекучесть – магниевые сплавы.

2. Усадка– уменьшение размеров отливки при переходе металла из жидкого состояния в твердое. Чем меньше усадка, тем литейный сплав лучше. Различают усадку объемную (уменьшение объема) и линейную (уменьшение линейных размеров). Это свойство зависит главным образом от химического состава сплава. Ориентировочно линейная усадка составляет 1 % для чугунного литья и 2 % для стального и цветного. Разумеется, каждая конкретная марка литейного сплава имеет свое значение усадки.

3. Склонность к ликвации. Ликвацией называют химическую неоднородность по объему отливки. Чем меньше склонность к ликвации у литейного сплава, тем он лучше.

В литейном производстве применяют много самых различных сплавов. Наиболее распространенным является серый чугун, из которого в отечественном машиностроении делают около 75 % отливок (по массе), из стали – около 20 %, из ковкого чугуна – 3 %. Около 2 % литых деталей изготавливают из сплавов цветных металлов.

Существует два способа заливки металла в формы:

 обычная заливка, при которой металл заполняет литейную форму свободно под действием силы тяжести; к этому способу относится литье в песчано-глинистые формы;

 специальные способы литья (около 15), основными из которых являются:

 литье под давлением;

 центробежное литье;

 литье в кокиль (в металлические формы);

 литье в оболочковые формы;

 литье по выплавляемым, выжигаемым или растворяемым моделям.

Литье в песчано-глинистые формы – основной метод производства отливок. Этим методом получают литые детали как простой, так и сложной формы, наиболее крупные отливки, которые нельзя получить другими способами.

Применение специальных способов литья позволяет уменьшить брак в литейном производстве. При литье в металлические формы центробежным литьем обеспечивается получение отливок высокой точности. Наряду с этим специальные способы литья применимы лишь для изделий сравнительно небольших размеров (масса до 300 кг).

Для изготовления литейной формы необходимо иметь модельный комплект. В общем случае модельный комплект состоит из модели, стержневого ящика и моделей элементов литниковой системы.

Модель– это прообраз будущей отливки, с помощью модели формируется ее наружная конфигурация. От отливки модель отличается материалом, наличием стержневых знаков (если отливка полая и для формирования полости необходим стержень), наличием разъема (если формовка производится по разъемной модели), размерами, превышающими соответствующие размеры отливки на величину линейной усадки сплава.

Стержневой ящик– это часть модельного комплекта, предназначенная для изготовления стержня. Стержень, в свою очередь, необходим для формирования внутренней конфигурации отливки (для получения отверстий).

Литниковая система– это совокупность каналов в литейной форме, подводящих расплавленный металл, улавливающих шлак и неметаллические включения, отводящих из формы газы, а также питающих отливку жидким металлом в процессе ее кристаллизации.