Badania procesu ciągłego odlewania aluminium i stopów aluminium

Badania ciągłego odlewania i walcowania w linii TRC były najistotniejszym elementem prowadzonych prac badawczych w ramach niniejszej rozprawy doktorskiej. Co oczywiste, przeprowadzone zostały na specjalnie zaprojektowanym i wykonanym, aktualnie jedynym w Polsce laboratoryjnym stanowisku badawczym tego typu.

Laboratoryjna linia badawcza do ciągłego odlewania składa się z pięciu głównych segmentów tj. pieca odlewniczego (który może spełniać również rolę pieca topielnego - założono, że w razie potrzeby ciekły metal będzie przelewany do tygla z drugiego pieca - pieca indukcyjnego średniej częstotliwości) zawierającego tygiel umieszczony w korpusie z materiału żaroodpornego. W korpusie umieszczone są odpowiednie spirale grzewcze ogrzewające dno tygla oraz jego część boczną. Korpus po dodatkowej izolacji termicznej obudowany został blachą nierdzewną. Stopiony metal przepływa następnie do układu zalewowego, który składa się ze specjalnej rury zamocowanej do otworu w tyglu w dolnej jego części, a następnie do tzw. „nasadki” skąd wypływa w obszar krystalizacji. W ramach prac testowano różne rozwiązania techniczne układów zalewowych. Najlepsze efekty osiągnięto z układem hybrydowym grafitowo - stalowym. Układ zalewowy wymaga odpowiedniego dogrzewania przed rozpoczęciem procesu oraz dogrzewania w trakcie realizacji procesu w celu stabilizacji temperatury ciekłego metalu. Kolejnym i najbardziej kluczowym elementem linii jest układ krystalizacji zawierający dwa cylindryczne krystalizatory, między które wprowadzany jest ciekły metal z układu zalewowego. Ponadto linia wyposażona jest w zwijarkę oraz podajniki, tory pomiarowe i sterowanie. Całość zabudowano na odpowiednio do tego przygotowanym szkielecie nośnym. Poniżej przedstawiono podstawowe parametry techniczne linii oraz jej szkic ideowy (rys. 6.9). Na rysunkach 6.10-6.25 przedstawiono z kolei fotografie wybranych kluczowych podzespołów laboratoryjnej linii badawczej do ciągłego odlewania aluminium i jego stopów.

Tab. 6.6. Podstawowe parametry techniczne linii

Materiał odlewany aluminium i stopy aluminium Temperatura ciekłego metalu 660^oC-850^oC

Moc pieca odlewniczego 20kW

Moc oporowego podgrzewacza zalewaka 2kW

Prędkość odlewania 0-4 m/min

Przekrój odlewu szerokość 50-100mm, grubość 2-10mm Siły poprzeczne w krystalizatorach 0-40kN

Momenty sił w krystalizatorach 1500Nm Średnice znamionowe krystalizatorów 300mm Wstępne sprężenie układu wyciągającego 0-500kN

Chłodzenie przepływ wody 0-30l/min

Napęd _{trzymający 50Nm, prąd cewki max 8A} ^{silnik prądu przemiennego, moment} Przełożenie napędu na krystalizatory ok. 100

121

122

Rys. 6.10. Widok układu ciągłego odlewania, na pierwszym planie układ wyciągający, głębiej walce krystalizatory z układem napędowym, w tle piec i sterowanie stanowiskiem badawczym

123

Rys. 6.11. Widok ogólny pieca odlewniczego

124

Rys. 6.13. Widok na płaszcze krystalizatorów oraz klatkę układu odlewniczo-walcowniczego

125

Rys. 6.15. Pomiar temperatury tygla pieca odlewniczego

126

Rys. 6.17. Pomiar temperatury ciekłego metalu w tyglu

Rys. 6.18. Czujnik pomiaru temperatury płaszcza walca krystalizatora górnego

127

Rys. 6.20. Układy regulacji przepływu wody oraz czujniki pomiaru temperatury wody na wejściu i czujniki pomiaru przepływu wody

Rys. 6.21. Czujnik pomiaru ciśnienia wody wpływającej na walce oraz przyłącze wody do krystalizatora

128

Rys. 6.22. Czujnik do pomiaru siły nacisku metalu na krystalizatory

129

Rys. 6.24.Układ regulacji naciągu zwijarki – sprzęgło proszkowe

130 Uruchomienie stanowiska do ciągłego odlewania pomiędzy cylindryczne obracające się krystalizatory było procesem żmudnym, składającym się z serii prób odlewniczych, na podstawie których systematycznie doskonalono rozwiązania techniczne kluczowych części układu. Pierwsze próby rozruchowe przeprowadzono wykorzystując układ zalewowy składający się rurki transportującej ciekły metal i nasadki wykonanych z grafitu. Z uwagi na fakt braku szerszej wiedzy o koniecznym poziomie wstępnego sprzężenia klatki krystalizatorów, w stanowisku zamontowano wykonane w laboratorium i przeskalowane czujniki tensometryczne wg projektu własnego, służące do oceny sił i momentów walcowania układu krystalizatorów. Układ zalewowy wygrzewano przed startem palnikami gazowymi. Tego typu próby nie doprowadziły do uzyskania zadowalających rezultatów. W kolejnym etapie ciekły metal topiono w piecu odlewniczym, przy czym zrezygnowano z nagrzewania układu zalewowego, a do wnętrza rurki transportującej ciekły metal wprowadzono przed próbami wałek aluminiowy stanowiący swoisty korek. Następnie nagrzewano nasadkę palikiem gazowym całość ustawiano w określonym wcześniej sprawdzonym położeniu względem krystalizatorów oraz nagrzewano rurkę poprzez grzałkę elektryczną do stopienia korka. Następnie ciekły metal przepływał do nasadki. Niestety tego typu rozwiązanie powodowało krzepnięcie metalu w ustniku wskutek jego wychłodzenia od walców krystalizatorów. Kolejna koncepcja polegała na przekonstruowaniu nasadki grafitowej (zmniejszenie grubości ścianki) i wyklejeniu jej powierzchni papierem żaroodpornym. Również to rozwiązanie nie gwarantowało dobrego dopływu ciekłego metalu, pomimo nagrzewania grzałkami rurkowymi nasadki. W efekcie szeregu prób zbudowano dodatkowy, niezależny układ grzewczy i rozdzielono nagrzewanie rurki i nasadki. Takie rozwiązanie umożliwiło właściwy transport ciekłego metalu z pieca odlewniczego do obszaru krystalizatorów. Niestety kolejna seria prób skutkowała przelewaniem się ciekłego metalu między krystalizatorami wskutek niewłaściwego wypełnienia przestrzeni (na ogół ciekły metal wypływał krzepnąc na dolnym krystalizatorze i nie dotykając całą powierzchnią krystalizatora górnego. Aby zapobiec takim przypadkom zastosowano płaskownik startowy, który przed uruchomieniem testów zamykał obszar krystalizacji. W pierwszych testach stosowano płaskownik stalowy. Niestety ciekły metal dopływał i krzepł miedzy krystalizatorami i nie udawało się doprowadzić do jego wyciągnięcia. W drugiej serii zastosowano płaskownik aluminiowy, który częściowo stapiał się z ciekłym metalem. W tych próbach udawało się uzyskać krótkie odcinki taśmy, a następnie pasmo pękało miedzy krystalizatorami (metal krzepł przed wejściem do krystalizatorów wewnątrz ustnika. W efekcie różnych prób zastosowano płaskownik stalowy oddzielony od ciekłego metalu izolacją termiczną. W tym rozwiązaniu udało się uzyskać taśmę w większych odcinkach, jednak pojawiały się problemy z rozruchem procesu. Wskutek tego opracowano procedurę polegającą na wprowadzaniu termoelementu w obszar krystalizatorów przed płaskownik startowy, który sygnalizował moment zapłynięcia ciekłego metalu i umożliwiała natychmiastowe uruchomienie obrotu walców. Kolejna grupa problemów wymagała zoptymalizowania budowy nasadek. Duże siły miedzy krystalizatorami powodowały pewne poszerzenie materiału podczas zgniatania i skutkowały wyłamywaniem się bocznych ścianek grafitowej nasadki. W efekcie zastosowano pewną rozbieżność ścianek bocznych nasadki na odcinku między krystalizatorami, a następnie końcową część nasadki wykonano ze stali w taki sposób, aby dodatkowo zmniejszyć kontakt nasadki z płaszczem krystalizatora, co

131 skutkuje jego wychłodzeniem. Taki stan umożliwił stabilne prowadzenie procesu ciągłego odlewania i uzyskanie próbek taśm po odlewaniu do szerzej zakrojonych badań. W trakcie badań dokonano również wyboru najlepszych dla tego typu układu zalewowego grzałek. W przypadku rurki oraz nasadki wybrano grzałkę nawiniętą z rurki grzewczej, co ukazano na rysunkach 6.28-6.29.

Rys. 6.26. Pierwsza wersja grafitowej nasadki podającej ciekły metal miedzy walce – krystalizatory

Rys. 6.27. Ostateczna wersja nasadki stalowo-grafitowej z izolacją termiczną (wraz z ukazaniem poszczególnych etapów montażu)

132

Rys. 6.28. Grzałka spiralna rurki układu zalewowego

133

Rys. 6.30. Dopracowana procedura startowa – zaizolowany termicznie płaskownik stalowy i termoelement sygnalizujący zalanie się strefy krystalizacji

Rys. 6.31. Układ ciągłego odlewania podczas stabilnej pracy – wytwarzanie taśmy w odcinku prostym (bez działania zwijarki)

Dopracowane elementy układu zalewowego oraz procedura startowa umożliwiły wykonanie zestawu odlewów niezbędnych do powstania niniejszej pracy.

Pierwszy etap procedury odlewania obejmował proces stopienia aluminium i podgrzania go do temperatury 720°C (w piecu topielno-odlewniczym). Kolejnym krokiem było wprowadzenie odpowiednich zapraw metalurgicznych (w przypadku odlewania stopów serii 8XXX). Poszczególne stopy dokładnie mieszano i pozostawiano w piecu na kolejne 20 minut w celu ujednorodnienia składu chemicznego. Po tym czasie rozpoczęty został proces odlewania poszczególnych materiałów. Metal podgrzany do temperatury 720°C

134 przekazywano na walce-krystalizatory za pomocą specjalnie przygotowanego układu zalewowego, który był dodatkowo ogrzewany do temperatury 800°C-820°C w celu uniknięcia możliwości skrzepnięcia metalu przed wpłynięciem pomiędzy walce. Otrzymane materiały w postaci taśmy posiadały następujące wymiary: grubość 9 mm i szerokość 90 mm. Z taśm następnie pobierano próbki do kolejnych etapów badań.