Листы и ленты из тяжелых цветных металлов (производство, свойства, применение)

Головин В.А., Кручер Г.Н.

Металлургия, 1985 г.

ПРОИЗВОДСТВО ПЛОСКОГО ПРОКАТА

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Полуфабрикаты, получаемые плоской прокаткой, подразделяют на плиты, листы, полосы и ленты.

Плоский прокат из тяжелых цветных металлов и сплавов можно получать в зависимости от ТМРО на заключительном этапе горячекатаный (после горячей прокатки), холоднокатаный (после холодной прокатки) и холоднокатаный термообработанный (после холодной прокатки и термообработки). Поскольку горячая прокатка в большинстве случаев производится до толщины не менее 5—6 мм, то тонкие листы, ленты и фольга являются, как правило, холоднокатаными. Деление на горячекатаные и холоднокатаные не относится к металлам, полностью разупроч- няющимся в процессе деформации при комнатной температуре.

Холоднокатаный прокат в зависимости от величины деформационного упрочнения после последней промежуточной разупрочняющей термообработки и наличия и вида конечной термообработки (отжиг, закалка, отпуск и т. п.) подразделяют на мягкий, полутвердый, твердый, особо твердый и термообработанный. Полуфабрикаты мягкие после разупрочняющей термообработки не подвергаются пластической деформации (величина деформации равна нулю). Полуфабрикаты полутвердые, твердые и особо твердые получают определенную величину деформации для придания им заданных физических, в том числе механических свойств, в соответствии с требованиями технических условий, после чего их не подвергают термообработке. Заданные свойства термообработанного проката (ДМ, ДТО) получают сочетанием определенной величины холодной деформации и режима термической обработки.

Величина относительной деформации при отделочной холодной прокатке для полутвердого состояния обычно равна 15—20 %. для твердого 35—45 % и иногда более, для особо твердого 50 % и более.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА И РАЗМЕРЫ СЛИТКОВ И ЗАГОТОВОК

Исходной заготовкой для плоской прокатки металлов и сплавов обычно служит слиток. Технологическая деформируемость слитков, качество продукции, получаемой прокаткой, в значительной мере определяются металлургическим циклом, в частности технологией плавки и литья. Качество слитков и улучшение их технологической деформируемости могут быть достигнуты за счет оптимизации атмосферы плавки, наведения защитных и активных шлаков, раскисления и модифицирования расплава (см. гл. 3). Дополнительные технологические возможности имеет уменьшение перегрева, времени плавки, а также интенсивное упорядоченное перемешивание расплава.  Завышение температуры расплава против оптимальной, определяемой литейными свойствами сплава (жидкотекучесть, усадка, ликвация), приводит к увеличению угара, интенсивному образованию окисных пленок в расплаве (например, у бронз и латуней, содержащих алюминий), грубых скоплений интерметаллических фаз, а соответственно — к увеличению в 2—3 раза брака по трещинам, пленам, пузырям. Так, в работе [2] рекомендуется применять следующие температурные интервалы литья, °С: меди 1120— 1150, никеля 1500—1510, БрКд1 1150-1180, БрОЦ4-3 1130-1150, ЛС59—1 970—990. Один из путей решения этих задач — применение индукционных печей с однонаправленным движением расплава через каналы. Сопоставление характеристик индукционных канальных печей приведено в табл. 206 [1]. Интенсивное направленное перемешивание

ТАБЛИЦА 206

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНДУКЦИОННЫХ ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ РАЗНЫХ ТИПОВ

расплава со скоростью 150—300 т/ч в 2,5—4 раза снижает относительный перегрев металла в канале, одновременно в 1,5—3,0 раза повышает стойкость футеровки печи, позволяет значительно увеличить электрическую мощность, подводимую к расплаву, и соответственно сократить время плавки.

Для отливки слитков применяют литье наполнительное (в горизонтальные изложницы, в том числе чугунную раму с водоохлаждаемым поддоном, вертикальные чугунные и водоохлаждаемые изложницы) и непрерывное (на установках непрерывного, полунепрерывного и бесструнного литья, литья в графитовые и подвижные кристаллизаторы). _ В горизонтальные изложницы отливают слитки из меди, латуней ЛС59—1, Л062—1, ЛЖМц59—1—1, в вертикальные водоохлаждаемые— слитки из меди, латуней двойных, оловянных и свинцовых, бронз алюминиевых и оловянноцинковых, мельхиора, нейзильбера, в вертикальные чугунные — слитки из сложных бронз, никеля и никелевых сплавов. Один из наиболее прогрессивных и распространенных в настоящее время способов получения слитков для прокатки — непрерывное литье. Этот способ при массовом специализированном производстве практически вытеснил другие методы отливки слитков различных бронз, особенно алюминиевых, и в сочетании с современными способами вибрации и перемешивания металла нашел широкое распространение при отливке слитков меди и медноцинковых сплавов. Особенно важно применение непрерывного литья для получения слитков никеля, медноникелевых и других никелевых сплавов, склонных к поглощению газов и соответственно образованию различных дефектов металлургического происхождения. Так, по данным газового анализа, при непрерывном литье остаточная газонасыщенность слитка никеля значительно меньше, чем при литье в водоохлаждаемую изложницу [3]. К числу преимуществ этого способа при прокатном производстве относится значительное сокращение различных видов металлургических дефектов, плен, раковин, пузырей, газовых и других включений. Увеличивается структурная однородность. Значительно улучшаются механические свойства слитков, что создает условия для стабилизации режима обжатий в каждом отдельном проходе, особенно в начальный период прокатки (до разрушения литой структуры). При непрерывном литье улучшаются физико- механические свойства готовых полуфабрикатов.

Производство слитков осуществляют на плавильно-литейных комплексах, которые состоят из плавильной печи, миксера и установки для литья. Наибольшее применение имеют индукционные канальные печи, индукционные миксеры и многониточные установки для полунепрерывного литья с вибрирующими кристаллизаторами. Применение установки для непрерывного литья слитков выгодно при производительности свыше 8 т/ч [1, 4]. В этом случае для достижения данной производительности установка полунепрерывного литья должна иметь на 1—2 ручья больше, чем установка непрерывного литья. При использовании последней производительность достигает 30—40 т/ч [о], выход годного на 3—7 % выше. Однако капитальные затраты на установку для непрерывного литья при равной производительности в 2 раза больше, чем на установку для полунепрерывного литья [4]. Кроме того, установки для полунепрерывного литья обладают большей гибкостью при переходе с одного сплава на другой, с одного размера слитка на другой. Эти установки применяют для широкой номенклатуры сплавов: латуней двойных и свинцовых, оловянных бронз, нейзильбера, медноникелевых сплавов. Геометрические отходы, в том числе на обрезку головных и тонных частей слитков, при полунепрерывном литье составляют 2,5—5 %, т. е. в 1,5—1,8 раза меньше, чем при наполнительном литье.

Установки с вибрирующим кристаллизатором для полунепрерывного литья слябов большого сечения в 2—3 нитки со скоростью до 250 мм имеют производительность до 10—12 т/ч.

Скорость литья в результате совершенствования конструкции и формы кристаллизаторов, рациональной системы охлаждения, хромирования их поверхности достигает при производстве медных слитков сечением 200X600 мм 250—300 мм/мин, а слитков сечением 100X100 мм 450 мм/мин [6 и др.]. Скорости литья сложных сплавов меньше, а двойных латуней примерно в 1,5 раза больше.

Одной из актуальных задач дальнейшего повышения уровня технологии непрерывного литья является устранение скопления продуктов ликвации и образования наплывов на поверхности слитков, особенно слитков многокомпонентных сплавов с ликвирующими составляющими. Значительные перспективы в этом направлении открываются с использованием полунепрерывного литья через электромагнитный кристаллизатор. Расплавленный металл в кристаллизаторе находится под одновременным воздействием электромагнитного поля, создаваемого индуктором, вихревых токов, наведенных в металле. Производится также интенсивное охлаждение водой, поступающей непосредственно на поверхность слитка. Масса жидкого металла, удерживаемая от растекания сжимающими силами электромагнитного поля, не соприкасается со стенками металлической формы.

Отсутствие контакта между стенками металлической формы и кристаллизующимся слитком обусловливает предупреждение образования ликвационных наплывов и неслитин. Поверхность слитков гладкая и блестящая Интенсивный отвод тепла и перемешивание жидкого металла в лунке под действием вихревых токов способствует получению мелкозернистой структуры в поверхностных слоях и в меньшей степени в центральной части слитка. Химическая неоднородность сохраняется на глубине, не превышающей 0,3 мм [9, 10. 11]. Применение литья через электромагнитный кристаллизатор позволяет исключить фрезерование слитков и улучшить их технологическую деформируемость. Надо полагать, что наложение электромагнитного поля на процесс кристаллизации эффективно и при других способах непрерывного литья, в частности при горизонтальном литье полос.

Если необходимо прокатывать слитки небольших размеров (толщин), то иногда применяют бесструнное литье. Этот способ позволяет получить слитки сравнительно небольшой толщины (30—35 мм) из оловяннофосфористых бронз и других сложных сплавов на медной основе с сохранением основных качественных преимуществ полунепрерывого литья и получением хорошей поверхности слитка.

Слитки, полученные непрерывным, полу непрерывным и бесструнным способами, режут на части в соответствии с раскроем, установленным по технологии прокатки и особенностью оборудования. Большие по размерам и массе слитки перед разрезкой их на части необходимо подвергать гомогенизации, при которой, помимо сокращения структурной неоднородности, снимаются литейные остаточные напряжения первого рода (зональные), возникшие в процессе кристаллизации вследствие резко выраженной неравномерности охлаждения. Литейные напряжения с увеличением толщины слитка резко повышаются и достигают большой величины. Снятие остаточных напряжений предупреждает образование трещин в слитках при вылеживании, транспортных и технологических операциях и является одним из условий безопасности труда. Для сокращения величины литейных остаточных напряжений боковые стенки слитков иногда делают не плоскими, а закругленными, а прокатку ведут поперек главной оси слитка.

Гомогенизация слитков сложных сплавов, особенно склонных к ликвации с образованием скоплений интерметаллических соединении, позволяет значительно улучшить их деформируемость (см. гл. 3) и показатели качества продукции (равномерность структуры и свойств проката по площади). Толщина и масса слитка определяются технологическими свойствами металла (поведением его при литье, горячей и холодной обработке), требованиями к готовому прокату, характеристикой используемого оборудования и объемом производства. Чем лучше литейные свойства, больше температурный интервал пластичности сплава при горячей прокатке, мощнее оборудование и больше объем производства, тем больше должны быть размеры и масса применяемых слитков.

Выбор наибольшей величины слитка (или заготовки) приводит к увеличению производительности и повышению выхода годного. С повышением массы слитка увеличивается коэффициент использования машинного времени и сокращается количество пауз при прокатке, резке, отжиге в протяжных печах, перемоточных операциях и пр. Создается возможность применения более высоких скоростей прокатки и сокращения затрат времени на разгон и торможение на ленточных прокатных станах. Полнее используются преимущества современного оборудования, механизации и автоматизации прокатного производства. Кроме того, при применении слитков большой массы достигается более выгодный раскрой и снижается относительное количество геометрических отходов при обрезке концов и кромок.

При прокатке равноценных по качеству (по количеству и размерам металлургических дефектов) слитков различных толщин на один и тот же размер готового проката наилучшие результаты по повышению качества (уменьшению, а иногда и полному устранению внутренних и поверхностных дефектов) могут быть достигнуты при прокатке слитков большей толщины. Повышение качества — результат действия геометрического и масштабного факторов (см. гл. 2).

Слитки небольших массы и размеров применяют при прокатке сплавов, выпускаемых в малых объемах, прочных сплавов, необрабатываемых в горячем состоянии, и сплавов, прокатываемых в горячем состоянии, но имеющих узкий интервал пластичности.

На специализированных современных заводах при горячен прокатке меди, медных и медноникелевых сплавов многотоннажного производства применяют слитки толщиной 150—300 мм, шириной 600— 1300 мм, длиной 1000—6000 мм и массой 1000—3000 кг и более (до 12000 кг), а при обжимной холодной прокатке (для сплавов, нс подвергающихся горячен прокатке) — слитки толщиной 50—65 мм, шириной 500—900 мм, длиной 1000—3000 мм и массой до 1200 кг.

В последнее десятилетие широкое распространение для производства плоского проката получило непрерывное литье полосовых заготовок из тяжелых цветных металлов и сплавов в графитовые и подвижные кристаллизаторы. Через графитовый кристаллизатор отливают полосы толщиной 12—20 мм, шириной 200—650 мм, массой до 6,5—7,0 т из бронз, двойных свинцовистых и других специальных латуней, медноникелевых сплавов. Наиболее современные установки горизонтального непрерывного литья с графитовым кристаллизатором состоят из фрезерных станков (съем со стороны 0,3—0,8 мм) и машин для свертки полосы в рулон. Однако их производительность по сравнению с установками полунепрерывного литья значительно ниже (при литье полос сечением 20X650 мм она составляет ~1 т/ч), что ограничивает область их применения, главным образом малотоннажными труднодеформируемыми в горячем состоянии сложными сплавами (легированные латуни, бронзы, медноникелевые сплавы и нейзильберы).

Благодаря малой толщине полосы в этом случае не применяют операции нагрева и обжимной прокатки слитков и, несмотря на незначительный объем выпуска, используют современное высокопроизводительное оборудование, что обусловило широкое распространение этого метода производства полосовых заготовок. Производительность и экономические показатели установок сильно зависят от срока службы графитового кристаллизатора, который не превышает при отливке латунных полос 200 ч [7]. Время смены кристаллизатора на современных установках составляет 0,5—1,0 ч. Стойкость его можно повысить (примерно в 1,5 раза) за счет контроля регулирования положения фронта кристаллизации, флуктуации которого вредно отражаются на его работе [81-

Для полос заготовок из меди, двойных латуней, а также сплавов, не подвергаемых горячей деформации, при плоской прокатке применяют также ленточные кристаллизаторы. В этом случае металл заливают в пространство, образованное двумя горизонтально и наклонно (под углом до 15—20°) расположенными движущимися стальными лентами [1]. Машины в зависимости от конструкции и типоразмера могут отливать заготовки толщиной 2,5—32 мм и шириной до 1 м и более. Масса рулона до 6,5—7 т.

Созданы установки, в которые обычно входят миксер, разливочный ковш и машина с ленточным кристаллизатором. Схема машины приведена на рис. 92. Жидкий металл через промежуточный ковш (рис. 92, а) поступает в приемную ванну, из которой попадает в сопло, представляющее собой пластину с отверстиями, и затем в кристаллизатор. Основными стенками кристаллизатора являются две бесконечные тонкие леннеобходимого напора при заливке жидкого металла машина имеет приспособление для наклона кристаллизатора. Обычно угол наклона к горизонтали равен 6°.

Залитый металл охлаждается струями воды, направленными с большой скоростью на внутреннюю поверхность стальных лент. Давление воды в системе во время работы машины поддерживается обычно на уровне 0,27 кПа. Над ванной жидкого металла в машине типа «Хазелет» (США) создают защитную атмосферу из неочищенного природного газа и продуктов испарения масла, нанесенного на нижнюю стальную ленту. Скорость литья достигает 25—30 мм/с, производительность 20—40 т/ч в зависимости от скорости литья и размеров сечения [19, 20 и др.[.

Широкому распространению установок с ленточными кристаллизаторами для литья заготовок из меди и медных сплавов препятствует недостаточная стойкость и высокая стоимость стальных лент-кристаллизаторов со специальным покрытием. Необходимы также конструкторско-технологические решения, обеспечивающие высокое качество поверхностного слоя (чтобы исключить сплошное фрезерование литых полос) и равномерную структуру по сечению литой заготовки. В случае устранения этих недостатков литье с ленточным кристаллизатором сможет конкурировать по качеству и производительности труда с классическим циклом производства подката: отливка слитков, нагрев и горячая прокатка на реверсивных станах.

Полученные после кристаллизации слитки обычно подвергают обработке резанием: обрезке литниковой и донной частей, разрезке по длине на заготовки требуемых размеров, сплошной или местной обработке поверхности с целью удаления поверхностных литейных дефектов.