Лекция 16

1. Литьё слитков драгоценных металлов для обработки давлением.

2. Сущность и классификация современных методов литья слитков. Непрерывное литье.

3. Технологическое и конструктивное обеспечение методов литья слитков.

Методы литья слитков драгоценных металлов и сплавов для обработки давлением различаются по соотношению скоростей литья и кристаллизации, материалу и типу изложниц, способам дозировки расплавов и другим признакам технологического и конструктивного оформления (рис. 1.4.11). Однако далеко не все из них можно отнести к современным методам, обеспечивающим получение слитков надлежащего качества и соответственно этому далеко не все из них можно рекомендовать для практического применения.

Исходя из главного технологического признака – характера кристаллизации расплавов, определяющего сущность процесса литья и качество отливаемых слитков, все эти методы подразделяются на два вида:

методы литья с ненаправленной кристаллизацией слитков;

методы литья с направленной кристаллизацией слитков.

Главная типичная особенность литья с ненаправленной кристаллизацией слитков  это заполнение изложниц расплавами со скоростями, значительно превышающими линейные скорости их кристаллизации. Это приводит к образованию в отливаемых слитках значительной усадочной, газовой рыхлоты, замешиванию окисных пленок и шлаковых включений, служащих очагами возникновения пузырей (вздутий), трещин, расслоений и многих других металлургических дефектов при последующей обработке слитков на полуфабрикаты и изделий.

Рис. 1.4.11. Схема классификации современных методов литья слитков из драгоценных металлов

При литье с ненаправленной кристаллизацией для получения слитков приемлемой плотности применяют дополнительное питание с помощью обогреваемой прибыльной части или путем долива, или за счет верхней удаляемой части слитка (25  30%) и др. Однако это дополнительное питание кристаллизующегося слитка лишь частично уменьшает его дефектность.

Большие зоны кристаллизации и отсутствие направленности фронта кристаллизации обусловливают также благоприятные условия для протекания в кристаллизующихся слитках ликвационных явлений  слоистой и зональной ликвации, последствием которых будет неоднородность химического состава слитков по содержанию основных и легирующих компонентов в различных направлениях. Именно поэтому и в связи с растущими требованиями промышленности к качеству полуфабрикатов и изделий из цветных и драгоценных металлов и сплавов литье с ненаправленной кристаллизацией слитков, несмотря на сравнительно простое конструктивно-технологическое оформление, потеряло свое значение и вытеснено литьем с направленной кристаллизацией слитков, в частности низкоскоростным литьем.

Особенность литья с направленной кристаллизацией слитков  одностороннее перемещение фронта кристаллизации. При литье с направленной кристаллизацией питание слитка осуществляется непрерывно и беспрепятственно. Образование замкнутых полостей, изолированных от доступа жидкой фазы, полностью исключается. Имеются благоприятные условия для свободного выхода из толщи кристаллизующихся слоев расплава растворенных и замешанных в нем при литье газов, окисных пленок и шлаковых включений. В этом и заключается основное принципиальное преимущество литья с направленной кристаллизацией, которое обеспечивает получение высококачественных слитков, практически идеально плотных, без усадочных и газовых рыхлот, а также окисных замешанных пленок и шлаковых включений. Одновременно снижаются до минимума, а во многих случаях практически полностью устраняются ликвационные явления и вызываемая ими неоднородность слитков по составу основных и легирующих компонентов в различных направлениях.

Низкоскоростное литье

Низкоскоростное литье осуществляется в изложницы наполнения повышенной и высокой охлаждающей способности – чугунные, стальные и медные толстодонные и толстостенные либо водоохлаждаемые при скоростях заполнения, равных линейным скоростям кристаллизации. Как показали исследования, это условие для данного метода обеспечивает получение высококачественных слитков, если параметр – приведенный коэффициент скорости литья С_{л пр}, равный произведению линейной скорости литья (л) на приведенную толщину кристаллизации слоя формирующегося слитка ( , где – объем и – поверхность кристаллизации – теплоотдачи от слитка), находится в пределах 0,25 – 0,72 для чугунных и стальных, 0,5 – 1,05 для медных и 0,55 – Г, 1 см²/с для водоохлаждаемых изложниц, а температура литья на 140 – 350 град выше температуры начала кристаллизации расплавов.

Рис. 1.4.12 – Изотермы кристаллизации слитков драгоценных металлов и сплавов, отливаемых по принципу ненаправленной (а – з) и направленной (и – о) кристаллизации в горизонтальные (а – в, ж, и – л) и вертикальные (л, м, о) изложницы наполнения, а также в бездонные кристаллизаторы (н): а – е – высокоскоростное литье в изложницы с низкой охлаждающей способностью; ж, з – то же, изложницы со средней охлаждающей способностью; и, м – низкоскоростное литье; к, л – литье по способу Эриксена; н – непрерывное литье; о – литье по способу Лаврова

Метод низкоскоростного литья слитков драгоценных металлов и сплавов свободен от недостатков, присущих высокоскоростным методам литья. Низкоскоростное литье сочетает в себе преимущества непрерывных методов (равенство линейных скоростей заполнения и кристаллизации) и обычного слиткового литья (отсутствие перемещения слитка относительно изложницы). Внешне низкоскоростное литье во многом схоже с высокоскоростным. Однако это сходство лишь кажущееся, так как имеются принципиальные различия в тонкостях конструктивного и технологического оформления (число и размеры дозирующих отверстий в разливочных приспособлениях, соотношение между толщинами слитков и стенок и днищ изложниц, способ и характер подачи расплавов в изложницы) и, главное, в температурно-скоростных режимах литья и кристаллизации слитков, в соотношениях между главнейшими технологическими параметрами (скоростью, температурой литья, толщиной слитка и охлаждающей способностью изложницы для каждого данного металла, сплава), обусловливающие в комплексе тот или иной характер кристаллизации расплавов и соответствующее ему то или иное качество отливаемых слитков по плотности, дисперсности структуры и другим показателям. В сравнении с обычными методами литья низкоскоростное литье по любому варианту предусматривает следующее:

1. Резкое сокращение объема зоны кристаллизации и стабилизацию его, а также обеспечение направленности фронта кристаллизации за счет: а) снижения скоростей литья до значений, соответствующих критическим скоростям кристаллизации слитков, путем осуществления предельно медленного дозированного заполнения изложниц расплавами; б) значительного повышения охлаждающей способности изложниц путем замены их толстостенными чугунными, стальными и медными или водоохлаждаемыми изложницами; в) уменьшения толщин слитков до 20  40 мм, оптимальных для направленной кристаллизации в изложницах наполнения.

2. Снижение интенсивности гидравлического удара и степени разбрызгивания расплавов при падении струй в изложницы за счет увеличения их числа и снижения высоты падения или литья на наклонную стенку изложницы.

3. Установление повышенных температурных режимов литья, соответствующих снижению скоростей заполнения изложниц и повышению охлаждающей способности их, а также стабилизацию этих режимов путем замены металлических высокотеплопроводных разливочных воронок разливочными приспособлениями из малотеплопроводных материалов.

Условия кристаллизации при низкоскоростном литье аналогичны условиям при непрерывном литье: затвердевание слитка происходит в процессе заполнения изложницы и заканчивается одновременно с окончанием заливки, в результате чего доливка или прибыльное питание не требуется. Однако есть и различие: при низкоскоростном литье слиток не перемещается относительно изложницы и поэтому поверхностные слои его не претерпевают нежелательных растяжений, что типично для непрерывного литья и является одним из существенных недостатков последнего. Низкоскоростное литье позволяет получать слитки драгоценных металлов массой до 300 кг и более, высокой плотности без шлаковых и окисных включений, что обеспечивает практически полное устранение металлургического брака по пузырям, пленам, тре­щинам, ликвационным явлениям и другим дефектам, повышает выход годного и снижает потери металлов в производстве. Варианты низкоскоростного литья различаются конструктивным оформлением, а также технологической совершенностью.

Недостаток литья в горизонтальные изложницы  большая открытая поверхность отливаемого слитка и относительно большее окисление расплава при литье и кристаллизации, чем в других вариантах. Вертикальное литье в стационарные изложницы характеризуется хотя и не интенсивно истекающими, но все же падающими со значительной высоты струями расплавов и возможным их частичным разбрызгиванием и попаданием на стенки изложниц. Литье в опускающиеся изложницы характеризуется малой (10  20 мм) высотой падения струй и возможностью получения наиболее крупных слитков, что весьма положительный фактор. Недостаток – изложницы имеют открытую стенку и верх, что не позволяет защищать расплавы от окисления при литье. Кроме того, приспособления для разливки этим методом не имеют хорошего шлакоудержания. Литье в вертикальные поворотные изложницы позволяет осуществлять хорошую защиту расплавов от окисления, дает возможность хорошего отстоя расплавов от шлака и его удержания, но ограничено по размерам слитков.

Литье в горизонтальные, вертикальные стационарные, вертикальные опускающиеся, а также вертикальные поворотные изложницы с дозатором-отстойником, как и при обычном либо непрерывном методе, осуществляется с промежуточным переливом расплавов через разливочные воронки или дозаторы, что вызывает необходимость дополнительного перегрева расплавов. Этот недостаток отсутствует в варианте низкоскоростного литья с дозировочной крышкой, где роль разливочной воронки выполняет сам плавильный тигель, а роль дозатора  дозировочная крышка. Такое конструктивное оформление метода низкоскоростного литья значительно упрощает и облегчает его практическое осуществление, заменяя открытый перелив расплавов закрытым, подобным сифонному переливу, что резко уменьшает захват газов и окисление расплавов при литье, снижает необходимый перегрев расплавов перед разливкой и обеспечивает заполнение изложниц от начала до конца практически при постоянной температуре расплавов. Все эти преимущества делают низкоскоростное литье еще более совершенным и позволяют получать высококачественные слитки без усадочной, газовой пористости и ликвационных явлений, с хорошей структурой и поверхностью.

Непрерывное литье

Непрерывное литье производится в бездонные стальные и медные водоохлаждаемые кристаллизаторы без вторичного и со вторичным охлаждением слитка водой при скоростях заполнения, равных линейным скоростям кристаллизации. Это условие для данного метода обеспечивает получение высококачественных слитков из драгоценных металлов и сплавов, если приведенный коэффициент скорости литья составляет 0,55  1,4 см²/с, в том числе в водоохлаждаемые кристаллизаторы без дополнительного (вторичного) охлаждения 0,55  1,1 см²/с, а температура литья на 140  350 град выше температуры начала кристаллизации расплавов.

Из известных вариантов метода непрерывного литья в зависимости от формы, размеров, массы отливаемых слитков и рода расплавов для практического применения (в различных сочетаниях отдельных факторов) можно рекомендовать следующие применительно к драгоценным металлам и сплавам варианты его технологически-конструктивного оформления (рис. 1.4.13, а, б).