Законы рынка диктуют необходимость создания новых видов продукции, способной конкуриро­вать не только внутри нашей страны, но и с иностранными фирмами. Решением данной проблемы явилось строительство на СМК нового цеха по про­изводству литых автомобильных колес с использованием самого современного оборудования — дуговых печей постоянного тока нового поколения, разработанных специалистами НТФ ЭКТА (рис. 1).

Рис. 1. Дуговая печь постоянного тока компании НТФ ЭКТА
Рис. 1. Дуговая печь постоянного тока компании НТФ ЭКТА

Было выбрано литье под низким давлением, основными преимуществами которого являются:

  • выход годного — не менее 90 %;
  • повышенная плотность отливок;
  • современный уровень автоматизации процесса.

В конце 2002 г. была установлена первая группа машин и началась опытная отливка автомобильных колес из алюминиевого сплава на основе АК7пч. Номинальная емкость миксера LPT 600 машины литья под низким давлением (МЛНД) составляет 500 кг. Выплавку проводили в тигельных электропечах со­противления САТ-0,25. Производительность этих пе­чей составляла 16 кг/ч при расходе электроэнергии:-4 кВт ч.  Для обеспечения производственной про­граммы использовались четыре печи САТ-0,25. Достоинства печей сопротивления — получение металла достаточно высокого качества со сравнитель­но высоким КПД. Однако эти печи имеют ряд недостатков:

  • низкую производительность;
  • трудности в экс­плуатации, связанные с частым выходом из строя нагревательных элементов;
  • невозможность механизации процессов загрузки и приготовления расплава.

Анализ возможностей современных плавильных агрегатов привел к решению об установке универ­сальных дуговых печей постоянного тока нового по­коления (ДППТНП) в агрегатном исполнении (ДППТУ-0,5АГ) для плавки стали, чугуна и сплавов на основе алюминия, меди, никеля и кобальта. ДППТУ-0,5АГ представляет две плавильные емко­сти, подключенные к одному источнику электропита­ния. Производительность этих печей — 800 кг/ч (в 50 раз выше, чем у CAT) с расходом электроэнергии при работе в одну смену 512 кВт ч. Это в 2,8 раза ниже, чем в CAT. Основные технические данные ДППТУ-0,5АГ для плавки алюминиевых сплавов приведены в табл. 1.

Screenshot_2
Печь оснащена системой магнитогидродинами­ческого перемешивания (МГД) расплава и в ней пре­дусмотрены специальные режимы плавления. На СМК в ДППТУ-0,5АГ освоена выплавка алюминие­вого сплава АК7К и алюминиевой лигатуры алюми­ний-марганец, а также планируется плавка лигатуры на основе алюминия, ферросплавов, освоение техно­логии переплава шлака и стружки.

Основной задачей данной работы является опи­сание нового метода плавки в ДППТУ-0,5АГ для по­лучения высокого качества отливок при минимальных издержках производства. Проведено сравнение по­казателей при производстве алюминиевого литья с использованием печей САТ-0,25 и ДППТУ-0,5АГ при выпуске автомобильных колес в МЛНД.

В количественном отношении составы шихты при плавках в САТ-0,25 и в ДППТУ-0,5АГ были близки:

 

САТ-0,25
Силумин марки АК12оч
Алюминий марки А7
Медь марки МООк
Магний марки Мг90
Лигатура
алюминий-титан-бор
Отходы
из сплавов АДО и АД1Технологические отходы
из сплава АК7К
ДППТУ-0,5
Силумин марки АК12оч
Алюминий марки А7
Медь марки МООк
Магний марки МгЭО
Лигатура
алюминий-титан-бор
Отходы
из сплавов АДО и АД1Технологические отходы
из сплава АК7К
Кремний металлический мар­
ки КрО (плавки № 645, 646)
Флюсы*

Флюсы: Degasal ALT 200 «Дегазал», Eutektal Alt 200 «Эвтектал», Mikrosal ALT 100 «Микросал» фирмы Шайфер. Проводили работу по подбору рафинирующих флюсов.

Специальных методов удаления водорода и не­металлических включений в процессе плавки и внепечной обработки не применяли, так как их удале­ние обеспечивалось термодиффузией водорода при расплавлении и МГД перемешивании расплава. Со­держание водорода в сплаве 0,12-Ю“2 см3/г и не пре­вышало 0,23-КГ2 см3/г. В плавках на электропечах ДППТУ-0,5АГ была применена технология холодного легирования. Из выплавленного металла отливались автомобильные колеса на МЛНД.

Для выплавки лигатуры алюминий—марганец в ДППТУ-0,5АГ в качестве шихтовых материалов при­меняли отходы сплава АД 1 и марганец марки Мн997. Для рафинирования применяли стандартный рафини­рующий флюс. Лигатуру разливали в изложницы вы­сотой 50 мм с помощью разливочного ковша. Хими­ческий состав литых автомобильных колес из сплава АК7К, полученного при плавке на печи ДППТУ-05АГ приведен в табл. 2, а при плавке с использованием лигатуры алюминий—марганец в табл. 3.

Screenshot_3  Screenshot_4

Screenshot_5
Макроструктуру колес исследовали в поперечном направлении и оценивали на соответствие утвержден­ным эталонам допустимой и недопустимой макро­структуры литых автомобильных колес сплава АК7К.

Макроструктура колес из сплавов, выплавленных 5 электропечах САТ-0,25 и ДППТУ-0,5АГ, достаточно плотная, однородная с незначительной пористостью и соответствует эталону № 3 допустимой структуры литых автомобильных колес.  На макротемплетах литых колес трещин и дефектов в виде шлаковых и других включений не обнаружено. Размер зерен находится в пределах от 0,05 (на гранинах отливок) до 0,2 мм (в центре отливок).
В табл. 4 приведены результаты микроструктурного анализа литых автомобильных колес, отлитых из сплава АК7К, выплавленного в печах ДППТУ-0,5 : САТ-0,25, в закаленном состоянии.

Результаты микроанализа лигатуры алюминий—марганец показали, что микроструктура однород­на. микропористая с размерами частиц основной фазы Al6Mn от 30 до 200 мкм.
Механические свойства литых колес опытных пла­нок определяли при комнатной температуре в состоя­нии поставки после термической обработки Т4 (tзак = 535 ± 5 °С, τвыд = 4 ч, tводы = 40 °С).

Вырезку образцов проводили из трех зон — зоны спицы, толстой закраины (по 3 образца) и обода (по 2 образца).

Результаты механических испытаний образцов, вырезанных из литых автомобильных колес типоразмера 7Jx16CH сплава АК7К, приведены в табл. 4.
Сравнение оценки чистоты сплава АК7К, полученного в электропечах ДППТУ-0,5 и САТ-0,25, осуществлялось методом технологической пробы.
Этот метод основан на выявлении дефектов в ви­де отдельных (гладких) площадок в изломах горячедеформированных образцов. Образцы испытывают после горячей деформации с 4—5-кратной осадкой.

Оценку качества металла проводили по результатам определения отношения площади дефектов (плен в мм2), обнаруженных в изломах технологических проб, к общей площади исследуемого излома (в см2) по формуле:

K= Sд / Sизл , мм2 / см ,
где Sд  — площадь дефектов, мм2; Sизл — площадь из­лома, см2; К — коэффициент загрязненности.

Сравнительные усредненные показатели механи­ческих свойств представлены в гистограмме на рис. 2.
Коэффициент загрязненности дефектами (оксид­ными пленами) в плавках, выполненных в печах ДППТУ и САТ-0,25, изменялся в пределах:
— при плавке в печи ДППТУ от К3 = 0,47 мм2/см2 до К3 = 0,97 мм2/см2;
— при плавке в печи САТ-0,25 от К3 = 3,89 мм2/см2
до К3 = 4,91 мм2/см2.

Коэффициент загрязненности для плавок печи САТ-0,25 достаточно высокий, обработка расплава аргоном не дала положительного результата.

Screenshot_7

Выводы
Результат сравнения исследуемых плавок показал, что в ДППТУ-0,5АГ:
  1. Выплавляется металл высокой чистоты.
  2. При плавлении металла в печи обеспечивается вы­сокая чистота металла, а при длительной разливке (примерно от 1 до 4 ч) поддерживается преимущест­венно средствами рафинирования.
  3. Качество металла повышается при обработке расплава флюсами в оптимальном соотношении.
  4. Проводимые исследования на газонасыщенность показали содержание водорода в сплаве ≤ 0,23•10-2 см3/г.
  5. Можно проводить «подмораживание» расплава. В результате, кроме рафинирования расплава, дос­тигается измельчение эвтектических составляющих (типичная плавка № 645). Общее время плавки при этом увеличивается в первой плавке (холодная печь) до
    10 мин и в последующих плавках — до 5 мин (горячая печь).
  6. Возможно применение новых технологий по вы­плавке алюминиевых сплавов, лигатур, ферросплавов.
  7. Можно переплавлять отходы металлургического производства (шлака, съемов, стружки и т. д.).
  8. При соблюдении технологиче­ского процесса по выплавке сплавов угар металла не превышает 1,5 %. При плавке плотно загруженной ших­ты угар — 0,5%.
  9. Повышенный расход электро­энергии и графитовых электродов, ра­бота на пониженной мощности связаны с длительными простоями печи, вызванными невысокой производительностью МЛНД.
  10. Электропечь обеспечивает автоматизацию процесса плавки, быструю загрузку шихтовыми материалами.
  11. Уникальной особенностью процесса плавки явля­ется достаточно глубокое удаление водорода и неме­таллических включений в процессе плавления шихты.