СПОСОБЫ ЛИТЬЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СЛИТКОВ: ПРОБЛЕМЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ

METHODS OF CASTING ALUMINUM INGOTS: PROBLEMS AND TRENDS OF TECHNOLOGY DEVELOPMENT

Nikolay Voronin

Student, Department metallurgy of non-ferrous metals FGAOU VO "Siberian Federal University",

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В качестве цели настоящей статьи определена необходимость обобщения мнения специалистов в сфере металлургии алюминия.

В настоящее время специалисты работают над совершенствованием технологии литья алюминиевых слитков. Данные научных исследований опираются на современную концепцию развития производства алюминиевого литья. Современная концепция учитывает имеющиеся проблемы и тенденции производства алюминиевых сплавов, такие как: усложнение конфигурации и облегчение массы литых деталей, повышение технологических, механических и эксплуатационных характеристик сплавов и другие.

Особо выделить тот факт, что комплексный подход при производстве алюминиевых слитков поставил перед конструкторами и металлургами задачу разработки новых составов сплавов. Другая тенденция развития технологии - более широкое использование в производстве вторичных алюминиевых сплавов, создании ресурсосберегающих технологий плавки, литья, механообработки и обработки давлением. Специалисты отмечают необходимость повышения качества литых деталей и полуфабрикатов, улучшения технико-экономических и экологических показателей.

В качестве метода использованы общенаучные методы анализа, обобщения, сравнения. Результаты научных изысканий позволили говорить о необходимости совершенствования технологии и способов литья алюминиевых слитков.

ABSTRACT

As the purpose of this article, the need to generalize the opinions of specialists in the field of aluminum metallurgy is determined.

Currently, specialists are working on improving the technology of casting aluminum ingots. The data of scientific research are based on the modern concept of the development of aluminum casting production. The modern concept takes into account the existing problems and trends in the production of aluminum alloys, such as: complicating the configuration and lightening the mass of cast parts, increasing the technological, mechanical and operational characteristics of alloys, and others.

To highlight the fact that an integrated approach in the production of aluminum ingots has set designers and metallurgists the task of developing new alloy compositions. Another trend in the development of technology is the wider use in the production of secondary aluminum alloys, the creation of resource-saving technologies for melting, casting, machining and pressure treatment. Experts note the need to improve the quality of cast parts and semi-finished products, improve technical, economic and environmental indicators.

General scientific methods of analysis, generalization, and comparison are used as a method. The results of scientific research made it possible to talk about the need to improve the technology and methods of casting aluminum ingots.

Ключевые слова: алюминий, соединения алюминия, глинозем, технология, слитки.

Keywords: aluminum, aluminum compounds, alumina, technology, ingots.

Алюминий – востребованный металл в народном хозяйстве. Алюминий является достаточно распространенным металлом, его нельзя найти в чистом виде. Благодаря высокой химической активности атомы алюминия легко образуют соединения с другими веществами. Процесс получения алюминия очень сложен и основан на использовании электроэнергии огромной мощности. Поэтому алюминиевые заводы всегда строятся вблизи крупных источников электроэнергии – чаще всего гидроэлектростанций.

Основным производителем в России алюминия является компания «Русал». По данным производителя составлена динамика производства алюминия на рисунке 1.

Рисунок 1. Производство алюминия компанией РУСАЛ (с учетом производства заводов за рубежом) [1]

Рассматривая основные тенденции производства алюминиевых слитков, необходимо отметить и тенденции производства. Основываясь на данных маркетингового исследования аналитического портала Alto Consulting Group (ACG) [8], можно говорить о наличии негативной тенденции в производстве алюминия. Эксперты отметили, что в период 2017-2020 гг. средние цены производителей на прутки, катанку и профили из алюминия или алюминиевых сплавов упали на – 18,8%, с 195 858,0 рублей за тонну до 159 113,0 рублей за тонну. Наибольшее падение средних цен производителей произошло в 2020 году, тогда цена на продукцию снизилась на 30,2%.

Производство металла разделено на три основных этапа:

• добыча бокситов – алюминийсодержащей руды,
• их переработка в оксид алюминия – оксид алюминия,
• получение чистого металла с использованием процесса электролиза – разложения оксида алюминия на его составные части под воздействием электрического тока.

В мире существует несколько видов алюминиевых руд, но бокситы являются основным сырьем для производства этого металла. Это горная порода, состоящая в основном из оксида алюминия с примесью других минералов. Боксит считается качественным, если он содержит более 50 % оксида алюминия. Общие доказанные запасы бокситов в мире оцениваются в 18,6 миллиардов тонн. При нынешнем уровне производства это удовлетворяет потребность в алюминии более чем на сто лет.

Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточено в странах тропического и субтропического поясов, из которых 73% находятся в пяти странах: Гвинее, Бразилии, Ямайке, Австралии и Индии.

Алюминий получают методом электролиза, технология которого существует много десятилетий, а последние годы требует совершенствования с точки зрения снижения уровня вредных выбросов. Электролизер, используемый в промышленности, изготовлен из стали, внутренняя часть которой покрыта древесным углем, слой древесного угля соединен с отрицательным полюсом и действует как катод. Толстые углеродные пластины (или электроды), которые опускаются в расплав сверху, действуют как аноды. Во время электролиза электроды окисляются и разрушаются кислородом. Поэтому графитовые электроды периодически заменяются. Электролизер работает непрерывно. Образовавшуюся металлическую жидкость Al вакуумируют при помощи специального оборудования.

При производстве алюминия фтор (F2) и его соединения выбрасываются в атмосферу в виде токсичного газа. Это загрязняет окружающую среду токсичными соединениями фтора. В современных условиях разработка более дешевой и экологически чистой технологии производства алюминия остается одной из актуальных проблем металлургии.

В настоящее время специалисты работают над совершенствованием технологии литья алюминиевых слитков. Данные научных исследований опираются на современную концепцию развития производства алюминиевого литья [3, с. 23-27]. Современная концепция учитывает имеющиеся проблемы и тенденции производства алюминиевых сплавов:

• усложнение конфигурации и облегчение массы литых деталей;
• повышение технологических, механических и эксплуатационных характеристик сплавов и другие.

В связи с чем, специалисты работают над совершенствованием технологии производства алюминиевых слитков, например, предлагается:

1 Способы непрерывного литья:

• способ непрерывного литья слитков из алюминиевых сплавов. Изобретение относится к металлургии, конкретно к способам непрерывного литья слитков из алюминиевых сплавов преимущественно с содержанием лития. Способ включает многоструйную подачу расплава в кристаллизатор через теплоизоляционную насадку с защитой от окисления флюсом в количестве 1,7 – 27,0 кг/т. В процессе литья осуществляют электрофлюсовое рафинирование металла [4];
• специалисты работают над повышением качества биметаллических слитков за счет улучшения соединения и снижения окисляемости на границе раздела отдельных слоев. При непрерывном литье биметаллических слитков, слои которых формируются при заливке расплава в кристаллизатор на предварительно травленой твердой заготовке, к заготовке и расплаву в лунке слитка с помощью электродов от низковольтного источника с напряжением 21 2 В подают постоянный электрический ток плотностью 30-80 A/см², причем к расплаву подают положительный потенциал, а к заготовке – отрицательный [3];
• способ включает струйную подачу расплава в кристаллизатор через распределительную воронку под мениск в горизонтальном направлении и вытягивание слитка. Скорость истечения струй расплава из отверстий распределительной воронки составляет 0,23-0,30 м/с. Площадь поперечного сечения отверстия и количество отверстий воронки рассчитывают по формулам. При такой технологии достигается улучшение условий перемешивания и кристаллизации расплава, улучшение макроструктуры слитка [5];

2 Способы полунепрерывного литья:

• Предлагается способ литья, при котором геометрические размеры, глубину погружения и теплофизические свойства материала теплоотводящего устройства регулируют в зависимости от требуемых режимов кристаллизации металла. В качестве теплоотводящего устройства может быть использовано устройство для подачи и дозировки металла в кристаллизатор с увеличенными размерами частей устройства, погруженных и не погруженных в расплавленный металл. Обеспечивается регулирование скорости охлаждения металла и возможность получения пересыщенного твердого раствора с максимальным содержанием легирующих при любых размерах кристаллизатора для проведения обработки алюминия [6];
• Разработана технология изготовления прутков, содержащих нанопорошки химических соединений, предназначенных для измельчения структуры алюминия и алюминиевых деформируемых сплавов, а также установка для введения прутков в расплав при литье слитков полунепрерывным способом [2, с. 107-112].

В заключение необходимо особо выделить тот факт, что комплексный подход при производстве алюминиевых слитков поставил перед конструкторами и металлургами задачу разработки новых составов сплавов.

Другая тенденция развития технологии – более широкое использование в производстве вторичных алюминиевых сплавов, создании ресурсосберегающих технологий плавки, литья, механообработки и обработки давлением. Специалисты отмечают необходимость повышения качества литых деталей и полуфабрикатов, улучшения технико-экономических и экологических показателей.

Список литературы:

1. Аналитический бюллетень. Меаллургия: Тенденции и прогнозы. Выпуск №41. Итоги 2020. Москва 2021 [Электронный ресурс] Режим доступа: www.riarating.ru/ (Дата обращения 01.12.2021)
2. Крушенко, Г. Г. Автоматизация введения в алюминиевые расплавы наномодификаторов при литье слитков полунепрерывным способом / Г. Г. Крушенко, С. Н. Решетникова // Проблемы машиностроения и автоматизации. – 2008. – № 2. – С. 107-112
3. Никитин, В. И. О концепции развития производства алюминиевого литья / В. И. Никитин, К. В. Никитин // Литейщик России. – 2017. – № 10. – С. 23-27.
4. Патент № 1524298 C Российская Федерация, МПК B22D 11/00. Способ непрерывного литья биметиллических слитков из алюминиевых сплавов : № 4207564/02 : заявл. 09.03.1987 : опубл. 25.07.1995 / Л. С. Осокин, А. Ю. Кожеткин, А. И. Царев ; заявитель Акционерное общество «Всероссийский институт легких сплавов»
5. Патент № 1721929 C Российская Федерация, МПК B22D 11/00. Способ непрерывного литья слитков из алюминиевых сплавов : № 4671938/02 : заявл. 04.04.1989 : опубл. 30.07.1994 / С. Б. Комаров ; заявитель Комаров Сергей Борисович
6. Патент № 2414324 C1 Российская Федерация, МПК B22D 11/103. Способ непрерывного литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов : № 2009145494/02 : заявл. 08.12.2009 : опубл. 20.03.2011 / А. Ю. Сухих, В. М. Замятин, Г. А. Суслов, В. П. Ефремов ; заявитель Открытое акционерное общество «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»
7. Патент № 2697144 C1 Российская Федерация, МПК B22D 11/103. Способ полунепрерывного литья слитков из алюминиевых сплавов : № 2018136667 : заявл. 17.10.2018 : опубл. 12.08.2019 / Б. П. Куликов, В. Н. Баранов, А. И. Безруких, П. О. Юрьев ; заявитель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский федеральный университет»
8. Рынок прутков, катанки и профилей алюминиевых в России. Текущая ситуация и прогноз 2021-2025 гг. август 2021 г. 235 с. Alto Consulting Group (ACG) [Электронный ресурс] Режим доступа: https://alto-group.ru/ (Дата обращения 01.12.2021)