доклад

Цель работы: проанализировать причины возникновения дефектов при изготовлении медной катанки и разработать меры по их предотвращению.

Для производства медной катанки используются медные катоды марок М00К, М0К ГОСТ 546–2001 или электротехническая медь по ГОСТ 859–2001 марок МОО, МО, МООб, МОб. Допускается использование меди марки М1К при условии ее смешивания с катодами МООК или МОК (в количестве не более 25 %). Кроме того, возможно использование до 25 % отходов кабельного производства или электротехнического лома (шины, троллеи, сектор коллекторный и т.д.). Катанка изготавливается следующих марок: КМ, КМб, КМор, а также классов А, В и С.

Катанка диаметром 8 мм должна выдерживать без разрушения и появления дефектов литья и прокатки более 10 скручиваний с последующим раскручиванием. Качество медной катанки НЛП напрямую зависит от качества медных катодов, так как при плавке катодов в шахтных газовых печах, а также при индукционной плавке, регулируемыми примесями являются в основном кислород и сера, в то время как количество тяжелых примесей (никель, железо, свинец, висмут, сурьма, селен, теллур и т.д.) практически не меняется.

В своей работе я рассматривала производство бескислородной медной катанки на многоручьевой автоматической линии непрерывного литья UPCAST.

На ПЛАКАТЕ № 1 представлена схема установки непрерывного литья медной катанки «АпКаст» (Финляндия).

В АпКаст-процессе непрерывный слиток вытягивается из расплава вертикально вверх через погруженный в расплав кристаллизатор. Основными элементами литейной машины являются графитовая матрица-кристаллизатор, блок охладителей и вытягивающее устройство, состоящее из серводвигателей, приводного вала и прижимных роликов.

Расплав меди готовиться в канальной индукционной печи путем переплава медных катодов М00к и М0к (ГОСТ 546). Из плавильной печи емкостью 7 т расплав по закрытому переливному желобу подается в раздаточную индукционную канальную печь емкостью 4 т, где находиться под покрывным слоем графита толщиной 100 мм марки 5099 (мин 90 % частиц удерживается на сите 50 mesh согласно спецификации ASTM E11:01; химический состав: C min 99,5 %, Fe max 0,05 %, S max 0,03 %, влажность max 0,2 %, зольность max 0,5 %) или – в случае плавильной печи – под слоем толщиной не менее 350 мм древесного угля твердолиственных пород древесины согласно DIN 51749 крупностью основной фракции 60-80мм, что предотвращает насыщение расплава кислородом.

Температура расплава меди в раздаточной печи составляет 14232 К. В расплав погружены 16 блоков кристаллизаторов-охладителей. Глубина погружения и уровень расплава в раздаточной печи отслеживаются в автоматическом режиме.

В начале процесса в кристаллизатор через два охладителя подается затравка (медный пруток диаметром 8 мм), при соприкосновении затравки с расплавом начинается процесс кристаллизации, и затравка при помощи вытяжного устройства начинает двигаться вверх, вытягивая за собой непрерывный слиток, который подается на моталку.

На ПЛАКАТЕ № 2 представлены основные характеристики технологического процесса литья медной катанки.

Медная катанка является полуфабрикатом для получения проволоки. Определяющим критерием её качества является способность к волочению, которая во многом зависит от присутствия в медном сплаве различных включений. Металлические и неметаллические включения в производственных условиях контролируются неразрушающими методами.

Однако довольно часто мелкие частицы не фиксируются этими приборами и могут быть причиной обрывов проволоки на последних этапах волочения проволоки. Для определения источника попадания частиц в медный сплав и поиска путей их устранения эффективным методом является локальный микрорентгеноспектральный анализ поверхности обрыва как катанки, так и проволоки. Выполненные в данной работе исследования проведены с помощью электронного микроскопа TESCAN VEGA II XMU (Чехия), оснащённого приставкой для микрорентгеноспектрального анализа OXFORD INCA (Великобритания).

При анализе химического состава шлака обнаружено, что кроме закиси меди Cu₂O в нём содержатся частицы на основе железа (углеродистая или легированная сталь), алюминия, меди (ПЛАКАТ № 3,рис. 1). Крупные шлаковые включения в медном сплаве приводят к обрыву катанки, а мелкие сохраняются и проявляют себя на последующих этапах волочения проволоки.

Весь процесс прокатки ведется в условиях горячей деформации. Согласование скорости литья и прокатки осуществляется с помощью трайб-аппарата. Несмотря на такие «жёсткие» условия деформации, встречаются дефекты, которые можно отнести к разрыхлению медного сплава, поскольку они представляют собой участки свободно кристаллизовавшегося металла с характерной дендритной структурой (ПЛАКАТ № 3, рис.2,3).

Дефекты эти не выходят на поверхность, не содержат металлических или неметаллических включений, поэтому не контролируются неразрушающими методами. Однако в ходе испытаний на скручивание могут привести к образованию глубоких трещин, а при последующем волочении проволоки - к обрыву.

Анализ поверхности разрушения медной проволоки на разных этапах волочения показал, что в большинстве случаев причиной обрыва являются стальные включения (ПЛАКАТ № 3, рис.4,5). При получении проволоки металлические включения могут возникнуть в следующих случаях: 1) износ обводных роликов; 2) износ тяговых барабанов и фильер (волок); 3) износ контактных бандажей в приставке отжига.

Для улучшения технологических свойств медной проволоки следует совершенствовать технологический процесс на этапах очистки сплава от шлака, а также рассмотреть возможные пути замены волочильного инструмента на более износостойкий.

Актуальной проблемой сегодня является математическое моделирование и разработка специализированных пакетов программ, позволяющих с заданной точностью отразить физические процессы и наглядно визуализировать процесс непрерывного литья. С этой целью разработана программа для моделирования процесса непрерывного вертикального литья цилиндрических заготовок.

Процесс непрерывного литья рассматривается на тепловом и гидродинамическом уровне. Учет гидродинамических процессов существенно расширяет область применения разработанной программы, так как позволяет явно учитывать влияние на формирование слитка конвективного перемешивания расплава в зоне кристаллизации, различных способов его подвода в кристаллизатор, а также явления турбулентности. В основу математической модели непрерывного литья положена система дифференциальных уравнений в частных производных, записанных в цилиндрических координатах и расширенная до нестационарного случая. Система включает уравнения неразрывности, количества движения, энергии, а также необходимые начальные и граничные условия. Граничное условие по теплопередаче на границе «отливка-кристаллизатор » учитывает образование зазора вследствие развития объемной усадки сплава и изменение по этой причине механизма переноса теплоты. Система дифференциальных уравнений решается методом конечных объемов. Расчетная область разбивается на конечное число непересекающихся малых объемов так, что в каждом из них содержится один узел сетки. Дискретные аналоги дифференциальных уравнений получаются путем их интегрирования по каждому такому объему. Интегралы вычисляются с использованием кусочных профилей, описывающих изменение функций между узловыми точками. Все дискретные аналоги строятся с использованием шахматной сетки, компоненты скорости рассчитываются на гранях конечных объемов, а давления и температуры – в узловых точках.

В сравнении с коммерческим пакетом общего назначения FLOW-3D® разработанная программа имеет специализированную, узкую область применения и вследствие этого более проста в использовании. Проведены вычислительные эксперименты для определения степени влияния на условия охлаждения медной заготовки основных технологических параметров процесса: скорости вытяжки υв, температуры заливки расплавленного металла в кристаллизатор Tзал, длины кристаллизатора Lкр, а также температуры охлаждающей воды в кристаллизаторе Tохл. Моделировали процесс вытяжки с постоянной скоростью υв заготовки радиуса R из кристаллизатора длинною Lкр (рис. 1). Заливка расплавленного метала в кристаллизатор осуществляться равномерно по всей площади его входного отверстия. Было произведено изменение технологических параметров в пределах, реализуемых на производстве, и в окрестности такой их комбинации, при которой экспериментально достигалась приемлемая устойчивость процесса к обрыву заготовки при максимальной производительности. За базовый вариант принят следующий набор параметров: R = 0,1 м, Lкр= 0,8 м, υв = 0,04 м/с. Остальные параметры, использованные в моделировании: температуры ликвидуса и солидуса, соответственно, 1357 K и 1346 K, Tзал= 1430 K, Tохл= 295 K.

Условия затвердевания оценивали двумя геометрическими параметрам температурного профиля заготовки: Hз – глубиной зоны затвердевания, которую определяли как максимальное расстояние от верхнего края кристаллизатора до границы затвердевшего металла и Hдз – шириной двухфазной зоны – максимальное расстояние между границами жидкого и затвердевшего металла (ПЛАКАТ № 4,рис. 1).

На рис. 2 приведены температурные профили по высоте кристаллизатора для различной скорости вытяжки υ_в в интервале 0,02-0,1 м/с. Из рис. 2, а-г следует, что при скоростях вытяжки, при которых фазовый переход успевает завершиться в зоне кристаллизатора, изменение параметров Hз и Hдз может быть описано зависимостью, близкой к линейной. Однако при υв> 0,08 м/с завершение фазового перехода происходит вне кристаллизатора, в зоне вторичного охлаждения – линейный характер зависимости изменяется.

На ПЛАКАТЕ № 5 график 1 представлены зависимости Hз и Hдз от скорости вытяжки. На граф. 2 и 3 даны изменения параметров температурного профиля в зависимости от R и Tзал, соответственно. Следует отметить, что ширина двухфазной зоны практически не чувствительна к изменению температуры заливки. Изменение длины кристаллизатора, при условии полного завершения фазового перехода в отливке в пределах кристаллизатора, не оказывает существенно влияния на параметры температурного профиля.

Как показало моделирование, наибольшее влияние на Hз и Hдз оказывают технологические параметры Tзал и R. Таким образом, для фиксированного R линии равного значения Hз и Hдз удобно строить в координатах (Tзал, 0, υв). Такие линии построены для трех значений глубины зоны затвердевания в координатах (Tзал, 0, υв) и при фиксированных остальных технологических параметрах, соответствующих базовому варианту (граф. 4).

Располагая такими данными и экспериментально установленным критическим значениям Hз, технолог может в пределах υв и Tзал повышать производительность процесса, при сохранении постоянных значений Hз и Hдз и, следовательно, устойчивости процесса к обрыву. Например, если критическое значение Hз = 0,29 м при υв= 0,035 м/с и Tзал = 1450 K, то для повышения скорости вытяжки до υв= 0,04 м/с, необходимо снизить температуру заливки до Tзал = 1429 K.

Не меньший практический и теоретический интерес представляет расположение, форма и размеры двухфазной зоны затвердевающего слитка, поскольку именно в ней формируется кристаллическая структура металла и закладываются будущие свойства заготовки. Как показывает опыт и проведенные расчеты, величина этой зоны, а также ее расположение внутри слитка зависят от типа металла, способа его подвода в кристаллизатор, размера заготовки и технологических параметров литья.

Данная программа позволяет установить количественные отношения между этим параметрами и, следовательно, управлять процессом формирования заготовки. Она может быть использована в производственной практике для решения задач проектирования и оптимизации технологического процесса получения непрерывнолитых заготовок.

В настоящее время одним из активно развивающихся способов модификации поверхностного слоя материалов является обработка компрессионным плазменным потоком (КПП).

Взаимодействие плазменного потока с поверхностью материала характеризуется протеканием процессов сверхбыстрого нагрева до температуры, превышающей температуру плавления, и охлаждения (до 107 К/с), приводящих к изменению структуры поверхностного слоя толщиной порядка нескольких десятков микрометров. В данной работе были проведены исследования морфологии поверхности, структуры и микротвердости образцов меди М1 в зависимости от энергии, передаваемой образцу компрессионным плазменным потоком.

Обработку одним импульсом КПП осуществляли в газоразрядном магнитоплазменном компрессоре (МПК) компактной геометрии, в котором ускорение плазмы в аксиально-симметричной системе двух электродов сопровождается ее сжатием за счет взаимодействия продольной составляющей тока с собственным азимутальным магнитным полем.

Длительность разряда составляла ~ 100 мкс. Перед разрядом предварительно откачанная вакуумная камера МПК заполнялась рабочим газом (азотом) до давления 400 Па. Напряжение на конденсаторной батарее варьировалось в диапазоне 3,5–4,5 кВ.

Известно, что значения плотности энергии, поглощаемой поверхностью образца, в зависимости от напряжения составляют 5–18 Дж/см² за импульс.

Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе МИКРО – 200. Анализ микроструктуры производился как непосредственно на поверхности, подвергшейся воздействию КПП, так и на шлифах, поперечных к поверхности. Микротвердость образцов определялась на приборе ПМТ-3 при нагрузке 1 Н. Рентгеноструктурный анализ образцов проводился с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН – 3 в излучении линии Cu Kα.

На ПЛАКАТЕ № 6 представлены различные участки окисленной зоны поверхности образца, обработанного КПП при плотности энергии 10 Дж/см².

На ПЛАКАТЕ № 7 (первые 4 снимка) представлены участки поверхности образцов до и после обработки КПП с плотностью энергии 14 и 18 Дж/см². При обработке образца с плотностью энергии 14 Дж/см² еще наблюдаются участки с сохранившейся исходной поверхностью (рисунок б), а при энергии 18 Дж/см² такие участки отсутствуют, поверхность полностью трансформировалась (рисунок г). Увеличение энергии, поглощаемой поверхностью образца, приводит к увеличению времени существования расплава, что должно приводить к формированию расплавленного поверхностного слоя большей толщины.

На следующих четырех снимках представлена микроструктура поперечного шлифа исходного образца (а) и образцов, подвергнутых обработке КПП (рисунок б, в, г).

На приведенных микрофотографиях видно, что в результате обработки КПП с плотностью поглощенной энергии 14 Дж/см² и 18 Дж/см² происходит плавление поверхностного слоя исследуемого материала, толщина модифицированного слоя увеличивается с повышением плотности энергии, поглощенной поверхностью образца, и составляет 16–19 мкм при 14 Дж/см² и 28–36 мкм при 18 Дж/см². При кристаллизации расплава происходит формирование столбчатых зерен, ориентированных перпендикулярно поверхности.

Установлено, что обработка компрессионным плазменным потоком в диапазоне плотности энергии (5–18 Дж/см²), поглощенной поверхностью образца, деформированных образцов меди приводит к изменению морфологии поверхности и структуры поверхностного слоя. Плавление поверхностного слоя, сопровождающееся формированием характерного рельефа поверхности в виде волнообразных структур, наблюдается при обработке КПП с плотностью поглощенной энергии 14 Дж/см2 и выше. Увеличение энергии, поглощаемой поверхностью образца, приводит к формированию расплавленного поверхностного слоя большей толщины.

Структура этого слоя после кристаллизации характеризуется присутствием столбчатых кристаллов, ориентированных перпендикулярно поверхности, в направлении теплоотвода. Основное направление их роста <110> совпадает с направлением оси текстуры исходного образца. С увеличением плотности поглощенной энергии происходит увеличение полюсной плотности линии (200) в ~ 2 раза. При обработке КПП с плотностью энергии 14–18 Дж/см² наблюдается незначительное снижение микротвердости, связываемое снятием напряжений в результате перекристаллизации поверхностного слоя.

Известно, что ультразвуковые (УЗ) колебания, вводимые в расплав, интенсифицируют процесс дегазации, способствуют дополнительному перемешиванию, препятствуют возникновению дендритной ликвации и концентрации неметаллических включений на границах зерен, что положительно влияет на формирование однородной структуры металла в процессе кристаллизации.

Применение ультразвука в технологическом процессе позволило гомогенизировать структуру медной заготовки и минимизировать количество ликвационных участков (вплоть до их полного отсутствия), благодаря чему сократилась обрывность проволоки при волочении, улучшились ее пластичность и свариваемость.

Испытания проводили на машине полунепрерывной горизонтальной вытяжки, оснащенной модулем для ввода УЗ-колебаний в расплав. После обследования оборудования и анализа возможных схем размещения УЗ-излучателей был принят способ, схема которого представлена на ПЛАКАТЕ № 8.

1 — полуволновой пьезокерамический УЗ-преобразователь;

2 — стенка миксера; 

3 — литая заготовка;

4 — графитовая втулка; 

5 — охлаждающая жидкость; 

6 — внешняя втулка корпуса кристаллизатора; 

7 — кристаллизатор; 

8 — жидкий металл

УЗ-излучатель 1 размещен непосредственно на внешней втулке корпуса кристаллизатора 6 перпендикулярно оси вытяжки заготовки. Механические колебания высокой интенсивности, возбуждаемые излучателем 1, индуцируют во втулке 6 объемные волны, которые, проходя сквозь стенки кристаллизатора 7 и графитовую втулку 4, воздействуют на затвердевающий расплав.

Достоинством выбранной схемы является простота установки системы наложения колебаний. В качестве недостатка можно отметить потери подводимой колебательной мощности вследствие наличия внутренней полости с охлаждающей жидкостью и множества переходов с разнородными материалами и средами (сталь—вода—графит—расплав), что, однако, не снижает эффективности установки.

Опытную схему опробовали при производстве прутков из сплава МНЖКТ с вытяжкой через графитовую втулку диам. 12 мм. Первые метры прутка вытягивались в штатном режиме без наложения УЗ-колебаний, последующие — с включенными акустическими преобразователями, работающими на резонансной частоте ~19 кГц.

Для анализа результатов испытаний были отобраны две группы образцов: в первую входили образцы, полученные при стандартных условиях вытяжки; во вторую — при установившемся режиме УЗ-воздействия.

Исследование поверхности разрушения проводили на электронном сканирующем микроскопе при увеличениях в 300—3000 раз. Результаты приведены на ПЛАКАТЕ № 9. На образце (см. рис.9.1.а) видны многочисленные светлые области, которые представляют собой неметаллические включения, образовавшиеся в процессе литья. Следы пластической деформации незаметны. В образцах металла, подвергнутого УЗ-обработке (см. рис.9.1. б), подобных областей не наблюдается.

Немаловажен тот факт, что сравнивая микроструктуру образцов, полученных без воздействия и с воздействием УЗ можно отметить существенное уменьшение размера зерна в образце, обработанном УЗ.

Сходные результаты получены при исследовании микроструктуры излома образцов, полученных при производстве медной катанки в ООО «Катех-Электро».

На плакате № 9(рис. 9.2.) рис. а, б заметны неметаллические включения (НВ) размерами от 10 до 100 мкм. Следы пластической деформации практически отсутствуют.

Микроструктура образцов (см. рис. 9.3.) характеризуется классическим ямочным изломом (см. рис. 9.3, б), что свидетельствует о значительной пластической деформации, предшествующей разрушению. В ямках заметны микрочастицы, которые, по-видимому, являются раздробленными НВ (см. рис, 9.3, б и в).

На основании результатов исследования можно сделать вывод о том, что УЗ-обработка расплава привела к существенному диспергированию НВ и к уменьшению размера зерна, благодаря чему полученная заготовка обладает более высокой пластичностью по сравнению с заготовками, не подвергавшимися УЗ-обработке. Это подтверждается сравнительной проверкой качества медной катанки серийного производства и по улучшенной технологии. Исследования проводили в ЗАО «ПП «Азовкабель», куда поставлялась катанка производства ОАО «Панком-Юна», обработанная ультразвуком. Всего было переработано 20 т металла, изготовленного по улучшенной технологии. Проверке подвергали:

• внешний вид катанки;

• физико-механические параметры катанки и проволоки, изготовленной из нее;

• удельное электросопротивление;

• процесс волочения проволоки;

• процесс отжига;

• процессы скрутки и уплотнения жил.

На ПЛАКАТЕ № 10 в табл.  приведены результаты входного контроля катанки серийного производства (индекс «С») и обработанной УЗ (индекс «У»), в табл. 2 — физико-механические свойства отожженной проволоки диам. 2,57 мм.

Анализ результатов, приведенных в табл. 1 и 2, показывает следующее:

• катанка, прошедшая УЗ-обработку (серия «У») выдерживает большее количество скручиваний до разрушения;

• относительное удлинение проволоки из катанки серии «У» в среднем на 9 % выше, что свидетельствует о более высокой пластичности меди.

При волочении катанки серии «С» в отдельных бунтах наблюдалась обрывность проволоки по маршруту волочения, причиной этого является неоднородность свойств меди по ее длине. При сварке концов бухт катанки серии «С» из десяти произведенных сварок без обрыва происходят только две. При волочении катанки серии «У» указанных явлений не наблюдалось: случайные обрывы по маршруту волочения и разрывы в местах сварки отсутствовали.

В процессе отжига проволоки из катанки серии «С» во многих случаях наблюдался недоотжиг отдельных бухт, которые приходилось отжигать повторно со следующей партией. Проволока, произведенная из катанки серии «У», в повторном отжиге не нуждалась.

При скрутке и уплотнении секторных жил из проволоки, полученной из катанки «С», в местах сварки происходил разрыв ориентировочно до 50% случаев. В отдельных местах после плющения медь расслаивалась. Случались эпизодические обрывы проволоки не в местах сварки. Наблюдалось явление неоднородной пластичности по длине проволоки. При использовании проволоки из катанки серии «У» подобных проблем не возникало.

Заключение. Таким образом, на основании проведенных исследований структуры, физико- механических испытаний и сравнительного анализа технологических процессов можно утверждать, что:

• ультразвуковая обработка расплава при его кристаллизации приводит к измельчению зерна, разрушению и удалению неметаллических включений, что отражается в виде увеличения пластичности металла;

• использование заготовок, подвергнутых воздействию ультразвуком, стабилизирует протекание процессов волочения, отжита, скрутки и уплотнения, повышает выход годного, сокращает эксплуатационные затраты, связанные с повторным проведением отдельных технологических операций;

готовая продукция из заготовок, полученных с применением УЗ, имеет однородную структуру по всей длине и обладает повышенной пластичностью.