Цех по производству алюминиевых слитков-столбов

Для любого производства алюминиевых прессованных профилей технологические отходы составляют 20-25 % от исходного металла, который поступает на пресс в виде алюминиевых слитков.   Поэтому почти все производители прессованных алюминиевых профилей («экструдеры алюминия») имеют свой литейный цех для переплавки собственных технологических отходов, а также покупного алюминиевого лома и алюминиевых чушек, в новые слитки-столбы.

По нашему опыту за последние 20 лет лучшим введением в производство алюминиевых слитков для прессования является руководство британской фирмы Ashford Engineering Services 1997 года выпуска. В последующей серии статей мы представим основные положения этого замечательного учебника с учетом нашего собственного практического опыта.

Литье с прямым охлаждением

Эти слитки обычно имеют круглое сечение различного диаметра, величина которого обычно кратна дюйму, например, 6, 7 и 8 дюймов или 152, 178 и 203 мм. Эти слитки чаще называют столбами (logs).

Процесс литья алюминиевых слитков для прессования называется по-английски D.C. casting или direct cooling casting, то есть буквально: «литье с прямым охлаждением». Это потому, что производимые слитки – столбы – непосредственно (прямо) охлаждаются охлаждающей водой. Первичное охлаждение производится на стенке кристаллизатора, а вторичное – на поверхности слитка, которые выходит из кристаллизатора.

Оборудование цеха для литья слитков

Типичный цех по производству алюминиевых слитков-столбов имеет следующий набор оборудования (рисунок):

  • Загрузчик шихты в печь плавления
  • Печи плавильная и раздаточная (две раздельных или одна совмещенная)
  • Желоба для подачи расплава к литейной машине
  • Узел фильтрования
  • Узел дегазации
  • Вертикальная литейная машина
  • Система подготовки и подачи охлаждающей воды
  • Кран для извлечения слитков-столбов
  • Площадка для складирования столбов
  • Загрузчик печи гомогенизации
  • Печь гомогенизации
  • Установка для охлаждения столбов
  • Пила резки столбов


1-plan-liteynogo-cexa
Рисунок – Расположение оборудование в типичном цехе для производства алюминиевых слитков для прессования [Ashford Engineering Services, 1997]
(кликнуть по картинке для увеличения)

Производственные характеристики оборудования зависят от планируемого годового производства слитков, имеющихся производственных площадей, финансовых возможностей и графика работы оборудования.

Для обеспечения высокого качества слитков-столбов, в частности, хорошей их прессуемости на прессе, важно учитывать некоторые важные факторы.

Контроль химического состава алюминиевого сплава

Для популярных экструзионных алюминиевых сплавов 6060 и 6063 (АД31) содержание магния и кремния, а также соотношение их содержания, имеют наибольшее влияние на их прессуемость – легкость прессования, чем любые другие факторы.

Для контроля химического состава сплава обычно применяют оптический эмиссионный спектрометр. Образцы металла берут из плавильной печи:

  • до разливки, чтобы при необходимости произвести корректировку химического состава и
  • снова после внесения легирующих добавок и перемешивания, чтобы убедиться, что корректировка была выполнена правильно.

Металлургия алюминиевых сплавов является весьма сложной и поэтому небольшие количества некоторых нежелательных элементов, таких как железо и натрий, могут оказывать непропорционально большое влияние. Поэтому спектрометр должен иметь достаточно широкий диапазон определяемых элементов, чтобы позволять выполнять детальный анализ химического состава производимого алюминиевого сплава.

Фильтрование алюминиевого расплава

Оксидные включения удаляют из расплава с помощью керамического фильтра, который расположен по ходу течения расплава. Оксидные включения попадают в расплав из футеровки печи, подводящих желобов, а также загрязненной шихты. Шихта – это все исходные материалы, которые загружаются в плавильную печь: технологический лом, покупной лом, первичные чушки, вторичные чушки, лигатурные сплавы. Оксиды могут причинять повышенный износ и повреждение экструзионных матриц во время прессования.

Для удаления крупных загрязнений, например, обломков футеровки, часто применяют фильтры из специальной огнеупорной сетки, обычно в несколько слоев. Керамические фильтры довольно дороги и, кроме того, требуют постоянного подогрева. Поэтому на малых производствах часто обходятся только фильтровальной стеклотканью, которую устанавливают прямо на выходе из плавильной (раздаточной) печи.

Содержание водорода в алюминиевом расплаве

Чрезмерное содержание водорода может контролироваться путем дегазации расплава непосредственно в печи или в отдельном дегазаторе, который установлен в линии разливки. Большое содержание водорода может вызывать пористость слитков, образование пузырей на профилях и последующее охрупчивание материала профилей.

Уровень содержания водорода измеряется количеством кубический сантиметров водорода на 100 г металла. При производстве алюминиевых профилей обычно предельным считается содержание 0,20 см3 водорода на 100 г металла.

Приблизительный уровень содержания водорода может измерять в заводских условиях с применением простого оборудования. Точные измерения требуют сложного оборудования, и они обычно выполняются в специализированных лабораториях.

Контроль температуры алюминиевого расплава

Слабый контроль температуры алюминиевого расплава и особенно чрезмерно высокая температура при разливке слитков приводит к проблемам с качеством металла и качеством поверхности слитков. С повышением температуры алюминиевого расплава повышается растворимость в нем водорода.

Жесткий контроль температуры расплава повышает вероятность успешного старта литья столбов на литейной машине и обеспечивает успешную разливку всех столбов.

Методы литья слитков

Применяются различные технологии литья столбов. Технологию литья определяет конструкция литейного стола, на котором располагаются кристаллизаторы.

Современной и удобной технологией является метод литья с тепловыми надсадками (Hot Top). Этот метод применяют как с постоянной подачей смазки на кристаллизаторы, так и с однократной смазкой кристаллизаторов перед началом литья. На самых лучших машинах постоянную смазку подают в смеси с воздухом или аргоном (например, технология Air Slip).

Еще в 1990-х годах широко применялась технология литья столбов с поплавковой системой регулирования подачи расплава в кристаллизаторы. Хотя эта технология, в принципе, обеспечивает неплохие результаты литья, она почти повсеместно вытеснена системами литья с тепловыми надсадками.

Преимущество систем литья Hot Top, особенно с постоянной подачей смазки, заключается в том, что столбы, которые производятся этим методом, имеют пониженную толщину так называемого инверсного поверхностного слоя. Этот слой содержит повышенное содержание легирующих элементов и примесей, которые могут давать дефекты поверхности профилей. Это может иметь особое значение, например, при прессовании профилей для последующего анодирования.

Гомогенизация слитков

Гомогенизация слитков – выдержка при заданной температуре (выше 500 ºС) в течение нескольких часов с последующим быстрым охлаждением. Правильная гомогенизация слитков повышает их прессуемость и последующую эффективность термической обработки профилей.

Охлаждение слитков после гомогенизации

Повышенная скорость и однородность охлаждения столбов после нагрева садки столбов в печи гомогенизации являются очень важными. При медленном и неоднородном охлаждении садки в столбах может формироваться неблагоприятная структура металла.

Опыт показывает, что собственный литейный цех завода по прессованию алюминиевых профилей способен производить слитки-столбы высокого качества. Несмотря на то, что основным исходным сырьем таких цехов являются собственные технологические отходы алюминия и вторичный алюминий, они способны производить слитки, которые не уступают по качеству слиткам крупнейших производителей слитков из первичного алюминия. Залогом этого является правильно подобранное оборудование, а также мотивированный и квалифицированный персонал.

Производительность литейного цеха

Полный цикл производства слитков, который определяет производительность всего литейного цеха, зависит от трех основных факторов:

  • скорость загрузки шихты в плавильную печь;
  • скорость плавления металла в плавильной печи;
  • скорость литья литейной машины.

Скорость загрузки шихты

Загрузку шихты — алюминиевых отходов, лома, чушек — производят несколькими различными методами. На небольших заводах обычно применяют комбинацию ручной и механической загрузки.

Скорость плавления металла

Скорость плавления металла в плавильной печи зависит от мощности горелки (горелок) и от площади пода печи. Размеры пода определяют величину площади, по которой происходит теплообмен между продуктами сгорания горелок, а также сводом печи с загруженной в печь шихтой.

Скорость литья столбов

Скорость литья столбов зависит от их диаметра. Столбы с популярным для алюминиевых сплавов 6000 диаметром 152 мм имеют скорость литья около 130 мм в минуту. Для столбов с типичной длиной 6000 мм длительность разливки составляет около 50 минут. 15-20 минут может понадобиться, чтобы извлечь отлитые столбы из литейного колодца. Длительность подготовка литейного стола в зависимости от его конструкции может занимать от 10 минут до 1 часа.

Одна литейная машина — две плавильные печи

Понятно, что определяющим фактором производительности цикла производства столбов является время, в течение которого металл проходит от загрузки в плавильную печь и до входа в литейную машину. Это время в зависимости от типа и мощности плавильной печи и составляет не менее 3-4 часов, а то и все 6, и поэтому  всегда больше, чем время одной разливки столбов. Чтобы сгладить эту проблему часто для одной литейной машины устанавливают две печи плавления, а также, может быть, одну печь-миксер, которую также называют раздаточной печью.

Начальные вложения и эксплуатационные расходы

Выбор оборудования с минимальными эксплуатационными затратами обычно требует более высоких начальных финансовых вложений. С другой стороны, оборудование с очень низкими начальными вложениями часто влечет за собой «наказание» в виде более высоких производственных затрат на энергоресурсы и рабочую силу.

Источник: D.C. Casting remelt shop handbook, Ashford Engineerig Services, Great Britain, 1997