Что такое алюминиевая продукция

Ниже представлен обзор алюминиевой продукции, как ее представляют в Европе [1, 2], со ссылками на соответствующие европейские стандарты.

Алюминий и алюминиевые сплавы

К алюминиевой продукции относят изделия и полуфабрикаты из нелегированного алюминия и алюминиевых сплавов, деформируемых и литейных,  а также исходные материалы для их производства — первичный и вторичный алюминий в виде жидкого алюминия, слитков, заготовок и т. п.

Нелегированный алюминий – алюминий без легирующих элементов, в котором содержание алюминия составляет не менее 99,00 %.

Алюминиевый сплав – алюминий, который содержит легирующие элементы, причем содержание алюминия больше по массе любого из других элементов в сплаве, а содержание алюминия составляет не менее 99,00 %.

Легирующий элемент – металлический или неметаллический элемент, который контролируется внутри верхнего и нижнего пределов с целью придания алюминиевому сплаву некоторых специальных свойств.

Примесь – присутствующий в металле металлический или неметаллический элемент, минимальное содержание которого не контролируется.

Первичный алюминий

Алюминий, который производится путем электролиза из глинозема, называют первичным алюминием. В первичный алюминий может добавляться небольшое количество чистого технологического лома. Содержание алюминия в первичном алюминии составляет не менее 99,7 % (рисунок 1).

                                            

Производство первичного алюминия [2]

Первичный алюминий является, как правило, исходным материалом для производства такого вида алюминиевой продукции, как алюминиевые полуфабрикаты — листы, полосы, трубы, профили и т. п. Он является также исходным материалом для литейных сплавов, которые применяются для изготовления особо ответственных изделий, таких как колесные диски и компоненты автомобильных шасси.

В литейном цехе производителя первичного алюминия жидкий алюминий подвергают различным видам обработки с тем, чтобы он мог соответствовать установленным техническим требованиям:

  • Легирование, то есть добавление легирующих элементов в чистом виде или в виде лигатур, чтобы получить заданный химический состав. Лигатуры могут содержать до 65 % легирующих элементов
  • Очистка – применение флюсов или фильтров
  • Дегазация
  • Разливка в слитки (или, иногда, в фасонные отливки)
  • Поставка алюминия в жидком виде.

Слитки для переплава

Алюминиевые слитки для переплава (EN 576) разливаются в открытые изложницы на литейном производстве, которое входит в состав производителя первичного алюминия, или литейных машинах горизонтального литья. Чаще всего применяются в виде небольших слитков – чушек (рисунок 2).


Алюминиевые слитки-чушки для переплава

Эти слитки затем идут по двум различным путям на изготовление алюминиевой продукции:

  • Их переплавляют на специализированном литейном предприятии в профильные слитки-заготовки для прокатных и прессовых производств.
  • Профильные слитки-заготовки, такие как прокатные слитки-слябы и слитки-столбы для прессования также обычно разливаются в собственных литейных цехах производителей  катаной или прессованной продукции

Профильные слитки

Профильные алюминиевые слитки – это общее наименование для прокатных слябов (EN 487), слитков-заготовок для прессования (EN 486) и литых заготовок для ковки (EN 604). Они являются исходным материалом для производства полуфабрикатов — продукции, которая является исходным материалом для изготовления готовых изделий. Их производят с применением вертикального полунепрерывного процесса литья, который называется литье с прямым охлаждением (рисунок 3).

Полунепрерывное вертикальное литье с прямым охлаждением [3]

 

Такой вид алюминиевой продукции, как алюминиевые шины с большим поперечным сечением, обычно производят на аналогичных горизонтальных машинах непрерывного литья.

Прокатные слитки

Прокатные слитки имеют  прямоугольное поперечное сечение (до 0,6 х 1,8 м). Они могут быть длиной до 6 метров и весом до 14 тонн. Некоторые большие прокатные станы могут производить и/или обрабатывать слитки с поперечным сечением до 0,6 х 2,25 м, длиной до 9 метров и весом до 30 тонн. Прокатные слитки являются исходным материалом для листовой алюминиевой продукции: алюминиевых листов, лент и фольги.

Прокатные слитки [4]

Экструзионные слитки и заготовки

Экструзионные слитки (слитки-столбы) – это исходный материал для  прессованной продукции (прессованных профилей, прутков, труб, проволоки). Большинство экструзионных слитков имеют цилиндрическую форму. Поэтому их часто называют столбами (рисунок 5). Эти столбы имеют диаметр от 80 до 500 мм, иногда более 600 или даже 1000 мм. Обычно их номинальный диаметр кратен дюйму (25,4 мм), например:

  • 5 дюймов – 127 мм
  • 6 дюймов – 152 мм
  • 7 дюймов – 178 мм
  • 8 дюймов – 203 мм
  • 9 дюймов – 228 мм
  • 10 дюймов – 254 мм.

Непосредственно в контейнер экструзионного пресса загружают мерные отрезки этих столбов — заготовки — длиной 500-1000 мм в зависимости от их диаметра, которые называются заготовками. Эти заготовки получают заранее порезкой слитка-столба на мерные длины или отрезают от нагретого столба непосредственно перед загрузкой в пресс (рисунки 5 и 6).

Слитки-столбы на входе в печь нагрева линии по экструзии алюминия [5]

Нагретая заготовка перед загрузкой в контейнер экструзионного пресса [5]

Цилиндрические полые заготовки (например, с наружным диаметром 510 мм и внутренним диаметром 160 мм) применяют для прессования через оправку бесшовных труб.

Большие профили с шириной поперечного сечения до 800 мм и относительно небольшой высотой (до 100 мм) изготавливают из прямоугольной заготовки.

Литая заготовка для ковки

Литую заготовку для ковки производят непрерывным литьем по заказам кузнечных предприятий. Диаметр ковочной заготовки может достигать 1 метра. Однако большинство поковок изготавливают из заготовок, которые получают из слитков-столбов [2].

Литая лента

Литая лента – это исходный материал для производства листов и лент, а также изделий, которые получают ударной экструзией. Литую ленту получают на различных машинах для непрерывного литья, а также машинах для литья и прокатки.

Непрерывно литой и катаный пруток

Непрерывно литой и катаный пруток производят с применением специальных литейных машин для непрерывного литья (рисунок 7). Аналогично прессованной проволоке этот пруток применяют в качестве исходного материала для волочения проволоки, которая относится к холоднокатаной алюминиевой продукции.

Принцип непрерывного литья и прокатки алюминиевой катанки по технологии фирмы Properzi [6]

 

Алюминий – раскислитель стали

Алюминий находит применение при производстве стали для раскисления, измельчения зерна, снижения содержания азота и легирования. Большинство алюминия, который применяется в производстве стали, получают из лома. Эта алюминиевая продукция производится в виде металлического алюминия (чушек или прутков), а также в виде алюминиевой дроби, гранул, небольших слитков, рубленной проволоки, брикетов и других удобных для введения в печь формах, таких как проволока в бухтах. Эту алюминиевую продукцию поставляют насыпью или упакованной в мешки или пакеты.

Чистота алюминиевых сплавов для раскисления стали обычно составляет не менее 95 %. Главными примесями являются цинк, олово, медь, магний, свинец и марганец. Алюминиевая проволока в бухтах обычно изготавливается из алюминия чистотой 99 %.

Жидкий алюминий

Жидкий алюминий (EN 577) транспортируют на литейные предприятия в специальных автомобильных контейнерах (рисунок 9). Этот подход становится все более распространенным, так как позволяет сэкономить энергию, которая идет на расплавление слитков.

 
Транспортировка жидкого алюминия [4]

Вторичный алюминий

Новый (технологический) и старый (бывший в употреблении) алюминиевый лом является исходной шихтой для производства вторичного алюминия. Так называемые «вторичные плавильщики» смешивают старый лом или технологический алюминиевый лом и получают так называемые вторичные алюминиевые сплавы. Эти сплавы поставляются на литейные предприятия в виде слитков для переплавки или как жидкий металл. Эти литейные предприятия производят алюминиевую продукцию в виде отливок, которые находят широкое применение, например, в автомобилестроении. Вторичный алюминий идет также на изготовление чушек, прутков и гранул для раскисления стали.

Отсортированный алюминиевый лом, который состоит из деформируемых сплавов, снова можно применять на предприятиях по производству «полуготовой» алюминиевой продукции — полуфабрикатов. Примером этого является алюминиевые банки для пива и прохладительных напитков, которые очень широко перерабатываются во всем мире.

Лом алюминиевых банок

Алюминиевые полуфабрикаты

Что такое полуфабрикаты?

Полуфабрикаты– это «полуготовая» алюминиевая продукция, которая была подвергнута некоторой обработке и которая должны подвергаться дальнейшей обработке для изготовления продукции, которая уже полностью готова для применения [1]. Полуфабрикаты включают изделия, изготовленные методами обработки давлением, а также, реже, литьем. Слитки для дальнейшей обработки давлением также не относятся к полуфабрикатам .

Чаще всего, «полуфабрикаты» – это продукция, которую изготавливают путем горячей или холодной обработки (экструзии, ковки, холодной или горячей прокатки, волочения). Общей характеристикой этих процессов является то, что в ходе них металл – алюминий – подвергается пластическому деформированию. Поэтому алюминиевые сплавы, которые предназначены для этих процессов называются «деформируемыми сплавами» (EN 573).

Высокая способность алюминия к обработке дает большой разнообразие алюминиевых деталей и изделий по размерам и форме: от фольги толщиной 6 микрометров и шириной 2 метра до плит шириной в несколько метров для применения в судостроении и самолетостроении, а также в машиностроении. Экструзия алюминия способна производить прессованную продукцию от труб толщиной 0,8 мм для электронной промышленности до профилей шириной 800 мм для современных высокоскоростных поездов.

Алюминиевый прокат

Прокатка – это технология, которая обычно применяется для изготовления такой алюминиевой продукции, как полосы, листы и фольга. Перед тем, как металл подвергают горячей прокатке, со слитка снимают поверхностный слой, который образовался при его литье. Затем слиток нагревают в печи до температуры прокатки. Во время прокатки изделие охлаждают специальными эмульсиями. За каждый проход через прокатные ролики происходит значительное снижение толщины проката. В зависимости от  требований к конечным размерам и свойствам горячекатаные полосы могут подвергаться дальнейшей обработке на стане холодной прокатки до тонкого листа или фольги. Свойства и технические условия поставки для этой алюминиевой продукции установлены в европейском стандарте EN 485.


Алюминиевые листы


Алюминиевая фольга

Прессованная продукция

В отличие от других процессов по производству полуфабрикатов методы экструзии (прессования) алюминиевых сплавов позволяют изготавливать наиболее разнообразные формы поперечного сечения – от простых сплошных профилей до сложных профилей с несколькими полостями. Однако необходимо отметить, что существуют некоторые ограничения, которые вытекают из специфических условий самого процесса экструзии. Профили с большими различиями по толщине полок и стенок, а также профили, у которых толщины стенок слишком тонкие по сравнению с общими размерами поперечного сечения, требуют значительных усилий и затрат по изготовлению прессового инструмента, обеспечению стабильности прессования и эффективной правки растяжением.

Прессованные алюминиевые профили

Доступные размеры профилей (EN 755 и EN 12020) зависят от материала (алюминиевого сплава), а также от диаметра описанной окружности профиля.

Холоднотянутые изделия

Холоднотянутое изделие – это изделие, которое получают путем протягивания материала через матрицу (рисунок 12).

                                   Волочение прутка (а) и трубы (б)

Исходным материалом для холоднотянутых изделий, которые получают холодным волочением, являются прессованные прутки и трубы, а также катаные или литые заготовки, которые получают непрерывным литьем и прокаткой. Технически возможно подвергать холодному волочению и прессованные профили, однако это считается экономически невыгодным и поэтому не применяется на практике.

Требования к холоднотянутой алюминиевой продукции установлены в EN 754.

Поковки

Обычные размеры поковок так называемой открытой ковки составляют: длина – до 5 метров, ширина – до 2 метров и площадь поверхности – до 2 м2. Поковки, которые изготавливались в закрытых матрицах, такие как автомобильные колесные диски или несущие детали для самолетов и транспортных средств, отличаются высокой прочностью и вязкостью и поэтому их применяют для высоконагруженных и ответственных компонентов.

Кованый алюминиевый рычаг подвески [6]

Алюминиевые композиты

Алюминий может комбинироваться с другими материалами – металлическими и неметаллическими – при изготовлении композитных материалов. Когда алюминий комбинируют с металлами, такими как сталь или медные сплавы, то их обычно соединяют с помощью сварки под давлением или сварки трением.

Двумерные комбинации алюминия с неметаллами, например, с пластиком или деревом, представляют собой, так называемые, сэндвичные элементы, которые изготавливают с помощью адгезивного склеивания или заполнения пеной пространства между двумя наружными алюминиевыми слоями.

Бороалюминиевый композит (40 % волокон бора)

Листовые гнутые полуфабрикаты

Эту продукцию изготавливают из алюминиевого листа или полосы путем холодной обработки, которая включает пластическую деформацию. Примерами таких алюминиевых изделий являются:

  • Профили из листов и полос, которые получают методом роликовой гибки (рисунок 16).
  • Профили из полосы, которые изготавливают путем роликовой гибки или протяжки через матрицу; примером таких профилей являются профили для оконных жалюзей.
  • Профили, которые изготавливают путем гибки полос.
  • Сварные тонкостенные трубы, например, для теплообменников.
  • Спиральные сварные трубы.
  • Гофрированные трубы (гибкие трубы).

Изготовление алюминиевых профилей методом роликовой гибки [7]

Источники:

1. Global Advisory Group GAG – Guidance «Terms and Definitions»
2. Материалы Алюминиевой ассоциации Германии
3. Tom Hauge, Hydro Aluminium, IHAA Symposium 2014, New York
4. https://www.trimet.eu/en/produkte/lieferformen/fluessig
5. Материалы компании Tecalex (Испания).
6. TALAT Lecture 3210: Continuous Casting
7. http://custompartnet.com/