Устранение крупнозернистой структуры в медных слитках непрерывного литья | SEO

Крупнозернистая структура в медных слитках непрерывного литья снижает механические свойства и ухудшает последующую пластичность. Основные причины — медленное охлаждение и неправильный режим кристаллизации. Предлагаемый метод включает контроль перегрева расплава и введение модификаторов. Результат — измельчение зерна до 0.1–0.3 мм.

Пошаговое устранение крупного зерна в медных слитках непрерывного литья через контроль температуры и центров кристаллизации

Первым делом проверьте химический состав меди. Высокое содержание примесей (Sn, Zn, Ni) способствует росту дендритов. Используйте спектрометр для анализа. Если примеси выше нормы — добавьте рафинирующий флюс. Затем перейдите к контролю температурного режима.

Перегрев расплава перед литьем не должен превышать 50–60 °C выше точки плавления (1083 °C). Измеряйте температуру термопарой с погрешностью ±2 °C. При перегреве более 80 °C образуются крупные первичные кристаллы. Снизьте температуру печи или увеличьте скорость вытягивания.

Скорость охлаждения в кристаллизаторе — ключевой параметр. Оптимальный диапазон: 15–25 °C/с на начальном этапе. Увеличьте расход охлаждающей воды на 10–15% и проверьте давление в форсунках. Если слиток выходит горячим (выше 400 °C) после зоны вторичного охлаждения — уменьшите температуру в кристаллизаторе.

Используйте модификаторы для создания дополнительных центров кристаллизации. Эффективны тугоплавкие частицы TiC или ZrO2 в количестве 0.02–0.05% от массы. Вводите их в расплав за 2-3 минуты до начала литья. Равномерно перемешивайте аргоном через пористую пробку.

Измените режим вибрации кристаллизатора. Амплитуда 2–4 мм при частоте 100–150 мин⁻¹ разбивает фронт кристаллизации. Отрегулируйте эксцентрик привода. Отсутствие вибрации или малая амплитуда (менее 1 мм) всегда дают крупные столбчатые зерна.

Проверьте состояние графитовой вставки в кристаллизаторе. Износ более 0.5 мм на сторону вызывает локальные перегревы. Замените вставку при обнаружении раковин или трещин. Чистая поверхность способствует равномерному теплоотводу.

После выполнения всех операций отрежьте образец от головной части слитка. Зашлифуйте поверхность и протравите в растворе HNO₃ (50%) для выявления макроструктуры. Размер зерна должен быть равномерным по сечению — не более 0.5 мм в центре и 0.2 мм у края.

• Спектрометр оптический или рентгеновский
• Термопара погружная (W-Re, диапазон до 1300 °C)
• Расходомер воды с регулировкой давления
• Модификатор TiC или ZrO₂ (фракция 10–50 мкм)
• Пористая пробка для аргонной продувки
• Эксцентриковый привод вибратора с регулировкой амплитуды
• Графитовая вставка для кристаллизатора (новый комплект)
• Шлифовальная бумага P400–P1000
• Кислота азотная (HNO₃, 50%) для травления
• Лупа или микроскоп с увеличением ×20–×50

1. Отключите подачу расплава в кристаллизатор. Слейте остатки металла из печи в ковш. Снизьте температуру печи до 1100 °C для остановки процесса литья.
2. Извлеките слиток из машины. Отрежьте образец длиной 50 мм от начала литья. Зачистите торец шлифбумагой до зеркального блеска. Протравите кислотой 20–30 секунд, промойте водой и высушите.
3. Осмотрите макроструктуру. При размере зерна более 1 мм приступите к корректировке. Запишите текущие параметры: T расплава, скорость вытягивания, расход воды.
4. Рассчитайте необходимый перегрев. Для меди чистотой 99.9% оптимальная температура в кристаллизаторе — 1100–1110 °C. Если она выше, уменьшите мощность индуктора на 5–10 кВт.
5. Увеличьте расход охлаждающей воды через первичный контур на 20%. Измеряйте температуру на выходе из кристаллизатора. Она должна быть 30–40 °C. При 50 °C и выше — установите давление 4–5 бар на форсунках.
6. Подготовьте модификатор. Отвесьте 0.03% от массы слитка порошка TiC. Прокалите его при 200 °C в сушильном шкафу 30 минут для удаления влаги.
7. Введите модификатор в расплав через загрузочное окно. Включите аргонную продувку через пористую пробку с расходом 2–3 л/мин. Перемешивайте 2 минуты. Не допускайте образования вихря на поверхности.
8. Настройте вибратор: установите амплитуду 3 мм, частоту 120 мин⁻¹. Проверьте механизмы на отсутствие люфта. Повторите запуск кристаллизатора на холостом ходу 1 минуту для проверки симметрии вибраций.
9. Замените графитовую вставку на новую. Перед установкой протрите внутреннюю поверхность графитом мелкой фракции (10 мкм) для снижения трения. Затяните крепеж с моментом 40 Н·м.
10. Плавно возобновите подачу расплава. Начните вытягивание со скоростью 0.5–0.7 м/мин. Через 5 минут стабилизации увеличьте скорость до 1.2 м/мин. Не превышайте 1.5 м/мин — это вызывает утолщение корки.
11. Контролируйте температуру каждые 30 секунд. При отклонении более чем на 5 °C от заданной (1110 °C) скорректируйте нагрев. Используйте запись показаний в журнал.
12. После выхода 1 метра слитка снимите образец. Повторите шлифовку и травление. Сравните макроструктуру с эталоном. Если зерно однородное (0.1–0.3 мм) — переходите к прежнему режиму. Если нет — увеличите концентрацию TiC до 0.05%.
13. Проверьте твердость по Бринеллю. Для измельченного зерна значение не ниже 60 HB (для чистой меди). При меньшем значении — снизьте температуру кристаллизатора еще на 10 °C.
14. Завершите цикл: вытяните слиток на полную длину (6 метров). Сделайте заключительный замер зерна через каждые 2 метра. При обнаружении рецидивов — повторите шаги 5–12 для следующей партии.
15. Очистите оборудование. Удалите остатки модификатора из тигля. Промойте кристаллизатор 5% раствором лимонной кислоты для удаления оксидов. Высушите сжатым воздухом.

Регулярно калибруйте термопары раз в месяц. Выполняйте контрольный анализ зерна после каждых 10 тонн литья. Ведение журнала параметров поможет выявить тренды ухудшения структуры.

Какие основные причины появления крупнозернистой структуры в медных слитках непрерывного литья?

Основные причины включают низкую скорость кристаллизации, повышенную температуру разливки (перегрев расплава), недостаточное или нестабильное охлаждение в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения, а также неправильный подбор химического состава (например, наличие примесей, снижающих количество центров кристаллизации).

Как температура разливки влияет на структуру слитка и как ее скорректировать?

Чрезмерный перегрев меди выше линии ликвидуса ведет к замедлению зарождения твердой фазы и росту крупных зерен. Для устранения проблемы рекомендуется снизить температуру разливки до минимально допустимого технологического предела (обычно на 10–30 °C выше температуры ликвидуса), обеспечивая при этом стабильное заполнение кристаллизатора без замораживания.

Какие методы интенсификации охлаждения помогают измельчить структуру?

Эффективными методами являются: увеличение интенсивности и равномерности водяного охлаждения кристаллизатора, снижение его температуры на входе, применение зон вторичного охлаждения с регулируемым расходом воды, а также использование специальных вставок-кристаллизаторов с повышенной теплопроводностью. Это повышает скорость теплоотвода и способствует образованию мелкозернистой структуры.

Нужно ли применять модификаторы или рафинирование для устранения крупнозернистости?

Да, это один из эффективных способов. Введение малых добавок тугоплавких модификаторов (например, бора, циркония, титана или редкоземельных металлов) в расплав перед литьем создает дополнительные центры кристаллизации, что резко уменьшает размер зерна. Также обязательно проведение рафинирования для удаления растворенных газов и неметаллических включений, которые могут препятствовать равномерному затвердеванию.

Какое влияние оказывает скорость вытяжки слитка на зеренную структуру?

Слишком низкая скорость вытяжки способствует росту крупных кристаллов из-за длительного пребывания в зоне высоких температур. Слишком высокая скорость может привести к дефектам из-за перегрева внутренних слоев. Оптимальная скорость должна обеспечивать устойчивый фронт кристаллизации. Ее увеличение (в разумных пределах, с усилением охлаждения) часто способствует измельчению структуры за счет более быстрого отвода тепла через зону затвердевания.