Производство слитков из цветных металлов и сплавов : непрерывное литье из цветных металлов и сплавов в неподвижные кристаллизаторы

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

№ 2271

Кафедра технологии литейных процессов

С.А. Таволжанский

Производство слитков из цветных 
металлов и сплавов

Непрерывное литье слитков из цветных 
металлов и сплавов в неподвижные 
кристаллизаторы

Учебное пособие

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению Металлургия

Москва  2013

УДК 621.74.047
 
Т13

Р е ц е н з е н т

канд. техн. наук С.В. Шокин

Таволжанский, С.А.

Т13  
Производство слитков из цветных металлов и сплавов : непре
рывное литье слитков из цветных металлов и сплавов в неподвижные кристаллизаторы : учеб. пособие / С.А. Таволжанский. – М. : 
Изд. Дом МИСиС, 2013. – 76 с.

ISBN 978-5-87623-670-8

В учебном пособии приведены общие сведения по технологии производ
ства слитков из цветных металлов и сплавов методами непрерывного литья 
в неподвижные кристаллизаторы, а также требования, предъявляемые к слиткам, разновидности способов непрерывного литья, конструкции металлоприемников, кристаллизаторов, систем охлаждения и основных узлов машин. 
Описаны способы дозирования и подачи расплава в кристаллизатор, представлены основные закономерности процесса затвердевания слитков и основные 
виды дефектов слитков непрерывного литья и способы борьбы с ними.

Содержание учебного пособия соответствует программе курса «Производ
ство слитков из цветных металлов и сплавов».

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Металлур
гия» (150100).

УДК 621.74.047

ISBN 978-5-87623-670-8
 С.А. Таволжанский, 

2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ....................................................................................................4
1. Основы производства слитков из цветных металлов и сплавов .......5
2. Непрерывное литье слитков цветных металлов и сплавов ...............7

2.1. Непрерывное вертикальное литье ................................................... 9

2.1.1. Непрерывное вертикальное литье
в кристаллизатор скольжения ........................................................... 13
2.1.2. Непрерывное вертикальное литье в кристаллизатор
с тепловой насадкой........................................................................... 17
2.1.3. Непрерывное литье в электромагнитный
кристаллизатор ................................................................................... 19
2.1.4. Особенности подачи расплава в кристаллизатор ................. 24
2.1.5. Машины непрерывного вертикального литья ...................... 27
2.1.6. Поддоны (затравки) непрерывного
вертикального литья .......................................................................... 30
2.1.7. Особенности непрерывного вертикального литья
полых цилиндрических слитков ...................................................... 31
2.1.8. Основные закономерности процесса затвердевания
слитка при непрерывном вертикальном литье ............................... 32
2.1.9. Особенности процесса затвердевания слитков
при непрерывном вертикальном литье ........................................... 43
2.1.10. Особенности структуры слитков непрерывного 
вертикального литья .......................................................................... 46
2.1.11. Дефекты слитков непрерывного вертикальнёмого литья . 47

2.2. Непрерывное вертикальное литье вверх  ..................................... 59

2.2.1. Непрерывное литье по методу А.В Степанова  ................... 59
2.2.2. Технология непрерывного литья вверх «Upcast» ................ 61

3. Горизонтальное непрерывное литье  ............................................... 65

3.1. Оборудование горизонтального непрерывного литья ............ 66
3.2. Особенности затвердевания слитков при непрерывном 
горизонтальном литье ....................................................................... 69

Заключенение ..........................................................................................73
Библиографический список ...................................................................74

ВВЕДЕНИЕ

Производство слитков из цветных металлов и сплавов для изго
товления из них различных изделий путем ковки существует много 
тысячелетий. Казалось бы, это должно было способствовать накоплению опыта и развитию достаточно глубокой теории этого процесса. 
Однако теоретическое описание процессов производства слитков 
пришлось на 30–40-е годы ХХ в. Это объясняется большим числом 
факторов, влияющих на качество слитков, и сложностью явлений, 
происходящих при литье и кристаллизации.

Стремление к повышению производительности и качества литья, а так
же удешевлению получаемых продуктов привело к широкому внедрению 
во всем мире методов непрерывного литья. Для группы легких сплавов непрерывное литье полностью вытеснило литье слитков в изложницы.

Основную часть всего объема производства цветных металлов и спла
вов занимают деформируемые заготовки (изготовление листов, труб, прессованных профилей, прутков, проволоки, поковок и штамповок). Следует отметить не только резкое повышение их выпуска за последние годы, 
но и значительное расширение ассортимента, освоение новых изделий 
больших габаритов и сложной формы. На сегодняшний день существует 
огромное множество различных способов непрерывного литья, позволяющих получать заготовки разнообразных сечений, зачастую максимально 
приближенных к конечному продукту. Решающим фактором для успешного развития производства деформированных металлов и сплавов следует 
считать качество слитка, именно поэтому исследованиям в области повышения качества слитков путем совершенствования процессов непрерывного литья уделяется огромное внимание. 

Немаловажную роль в этом играют активно развивающиеся в послед
ние годы системы компьютерного моделирования металлургических процессов, включая и симуляцию довольно сложных физико-химических и 
тепловых процессов, происходящих при затвердевании и охлаждении непрерывно-литых заготовок.

1. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА СЛИТКОВ
ИЗ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Слитком называется отливка простейшей формы (параллелепи
пед, призма, цилиндр полый цилиндр), предназначенная главным 
образом для дальнейшей обработки давлением на деформируемые 
полуфабрикаты – листы, прутки, профили, трубы, проволоку, фольгу, а также поковки и штамповки – прокаткой, прессованием, ковкой. 
В некоторых случаях слитки предназначаются для:

– изготовления втулок, гайек, шайб, гидравлических арматур, 

уплотнительных колец, поршней цилиндров внутреннего сгорания 
из небольших по сечению слитков механической обработкой;

– использования иногда небольших по диаметру слитков, преиму
щественно из алюминиевых сплавов, в виде прутковых модификаторов и лигатур при производстве отливок и более крупных непрерывно-литых заготовок;

– применения в ряде случаев непрерывно-литых проволочных 

и прутковых заготовок в качестве припоев и сварочной проволоки;

– производства непрерывных слитков первичного алюминия с их по
следующим переплавом.

Производство слитков из цветных металлов и сплавов существен
но превышает фасонно-литейное производство по массе перерабатываемого металла. На долю фасонных отливок ежегодно в мире приходится не более 15 % всей массы производимых цветных металлов 
и сплавов.

Обработка давлением слитка заключается в его пластическом 

деформировании. В связи с этим слиток должен обладать определенным уровнем свойств, среди которых на первом месте стоит технологическая пластичность, т.е. способность изменять форму без разрушения при возможно меньших внешних усилиях. Вся технология 
производства слитков строится таким образом, чтобы в первую очередь обеспечить высокую пластичность при заданном составе сплава. 
Вместе с тем при обработке давлением слитков, особенно первичной, 
следует учитывать особенности свойств литой заготовки, заключающиеся в пониженной деформационной способности и повышенных 
условиях деформирования по сравнению со свойствами заготовок, 
уже подвергнутых деформированию тем или иным способом. В связи с этим первичную обработку слитков почти всегда осуществляют 
в горячем состоянии при возможно более высоких температурах, ког

да показатели пластичности металлов имеют повышенные значения, 
а показатели прочности (твердость, предел текучести) пониженные. 
Для первичной обработки слитков используют такие технологические процессы обработки давлением, при которых схемы главных напряжений и главных деформаций обеспечивают наиболее благоприятные условия пластического деформирования – свободную ковку, 
объемную штамповку, прокатку, прессование (экструдирование). Наилучшие условия пластического деформирования создаются при объемной штамповке и прессовании [1, 2].

2. НЕПРЕРЫВНОЕ ЛИТЬЕ СЛИТКОВ 
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Процессы непрерывного литья можно разделить на литье в непод
вижный и подвижный кристаллизатор.

При литье в неподвижный кристаллизатор затвердевающая корка 

отливки перемещается относительно поверхности кристаллизатора, 
и между нею и кристаллизатором возникают силы трения. Эти силы 
могут оказаться выше прочности начальной корки, имеющей температуру, близкую к температуре кристаллизации расплава. Тогда корка обрывается, процесс литья прекращается. Поскольку толщина затвердевшего металла уменьшается с увеличением скорости литья, 
прочность начальной корки лимитирует максимальные возможности 
рассматриваемого метода. Глубокий термодинамический анализ взаимодействия корки и кристаллизатора показывает, что на практике 
имеется большой резерв увеличения производительности литейных 
машин. Вместе с тем из анализа следует, что соответствующий метод 
осуществления литейного процесса в основе своей имеет принципиальные ограничения.

В случае, если затвердевающая корка отливки неподвижна отно
сительно стенки кристаллизатора, то в условиях непрерывного литья 
форма перемещается вместе с коркой. Подвижные кристаллизаторы 
бывают самых разнообразных типов: в виде вращающегося барабана, 
диска, гусеничной или сплошной металлической ленты и т.д. Литье 
в подвижный кристаллизатор осуществить на практике значительно 
труднее, чем в неподвижный, поэтому эти методы применяются реже. 
Однако преимущества подвижного кристаллизатора несомненны – 
при его использовании предельная скорость литья не лимитируется 
прочностью корки и не зависит от относительного движения твердой 
и жидкой фаз. Максимально возможная скорость литья определяется 
интенсивностью отвода тепла от расплава и протяженностью жидкой 
ванны, соприкасающейся с фронтом кристаллизации [3].

На рис. 2.1 представлена общая схема классификации способов 

непрерывного литья цветных металлов и сплавов.

Вероятно, первым изобретателем процесса непрерывного литья 

можно считать американца Дж. Лайнинга, получившего в 1826 г. патент на устройство горизонтального непрерывного литья свинцовых 
труб [4, 5]. Однако широкое внедрение способа горизонтального непрерывного литья началось лишь с 70-х годов ХХ в.

Родоначальником непрерывного литья в подвижные кристалли
заторы можно считать английского изобретателя Генри Бессемера, 
который предложил способ непрерывного литья расплава в зазор 
между двумя валками и запатентовал его в 1865 г. Однако практическое внедрение предложенного способа сначала для легких цветных металлов, а затем и для стали реализовано лишь во второй половине ХХ в.

Наиболее широкое распространение среди представленных спо
собов (см. рис. 2.1) получило непрерывное вертикальное литье 
в кристаллизатор скольжения. В первую очередь этому способствовали два фактора: возможность отливки слитков крупных сечений, 
а также возможность одновременной отливки достаточно большого 
количества слитков в полунепрерывном варианте литья.

Рис. 2.1. Классификация способов непрерывного литья

цветных металлов и сплавов

Непрерывное литье цветных металлов и сплавов

Непрерывное литье
в подвижный
кристаллизатор

Непрерывное литье
в неподвижный
кристаллизатор

Вертикальное
непрерывное
литье вниз

Вертикальное
непрерывное
литье вверх

Горизонтальное
непрерывное
литье 

Непрерывное
литье на один
валок (сверху;
снизу; сбоку)

Непрерывное
литье в зазор
между колесом
и лентой
(способ
Проперци;
роторная
разливка)

Непрерывное
литье
в ленточные
кристаллизаторы
(способ
Хазелетта)

Непрерывное
литье
в электромагнитный
кристаллизатор

Непрерывное
литье
в кристаллизатор
скольжения

Непрерывное
литье между
двумя валками
(сверху; снизу;
сбоку)

2.1. Непрерывное вертикальное литье

Несмотря на широкое применение непрерывного вертикального 

литья, его разработка началась только в 30-е годы ХХ в. (рис. 2.2) [6]. 
Развитие авиационной техники потребовало крупногабаритных литых заготовок высокого качества. Крупногабаритные слитки, получаемые литьем в изложницу, оказались пораженными усадочной рыхлотой и оксидными пленами. Переход к полунепрерывному литью 
позволил обеспечить нужное качество литых заготовок.

Непрерывное вертикальное литье в полунепрерывном варианте полу
чило промышленное развитие в 40-х годах ХХ в. применительно к слиткам из алюминиевых, а затем и магниевых сплавов. В конце 40-х годов 
происходило освоение полунепрерывного литья слитков из медных 
сплавов и алюминиевых бронз. С 60-х годов стали разрабатывать и затем 
осваивать установки полностью непрерывного литья слитков из алюминиевых и медных сплавов. Несмотря на это до настоящего времени основная масса слитков из цветных сплавов производится способом полунепрерывного литья.

Принято различать непрерыв
ное и полунепрерывное литье. 
В случае непрерывного литья 
вытягиваемый из кристаллизатора слиток режется на мерные 
заготовки на ходу без остановки 
процесса литья с помощью специального устройства – летучей 
пилы. При полунепрерывном литье процесс прекращается после 
получения слитка определенной 
длины – 2...8 м. Отлитый слиток 
затем направляют на резку. Принципиально процессы затвердевания и охлаждения слитков, 
происходящие 
при 
непрерыв
ном и полунепрерывном литье, 
практически одинаковы, поэтому 
в дальнейшем изложении термин 
«непрерывное литье» будет использоваться для обоих случаев.

Рис. 2.2. Один из первых патентов 

полунепрерывного литья

алюминия (Германия, 1936 г.)

Средний выход годного при полунепрерывном литье составляет не ме
нее 90 %, при непрерывном достигает 95 %. Однако максимальной производительностью обладает метод полунепрерывного литья, благодаря возможности одновременной отливки достаточно большого числа слитков 
(известны машины для полунепрерывного литья сразу 150 слитков).

Машины непрерывного литья имеют в своем составе большее число 

механизмов, чем полунепрерывного. Это объясняется необходимостью 
резки и кантования отрезанных заготовок по ходу литья. Устройство типичной машины непрерывного литья представлено на рис. 2.3.

Большинство слитков цветных металлов и сплавов отливают в кри
сталлизаторы, независимые от печи. В этом случае расплав из миксера 
посредством дозирующей системы подается в кристаллизатор под затопленный уровень с помощью распределительных устройств (рис. 2.4). 
При этом стремятся минимизировать колебания уровня расплава в кристаллизаторе, приводящие к образованию поверхностных дефектов.

Рис. 2.3. Схема непрерывного литья слитков из бескислородной меди:

1 – канальная плавильная печь; 2 – канальный миксер; 3 – переливной желоб; 4 – кристаллизатор; 5 – камера душирования; 6 – тянущие ролики; 7 – гидравлический зажим; 

8 – летучая пила; 9 – кантователь; 10 – стационарная пила; 11 – штабелеукладчик [7]

Для отливки слитков в виде 

прутков, труб и полос небольшого сечения применяются графитовые кристаллизаторы, вмонтированные в дно разливочного 
обогреваемого металлоприемника (рис. 2.5). Применение такой 
конструкции обусловлено сложностью 
точного 
поддержания 

уровня расплава в независимом 
от печи кристаллизаторе при литье мелкосортовых заготовок. 
Кроме того, в металлоприемник 
может подаваться защитная атмосфера, что позволяет отливать 
сплавы, содержащие активные 
элементы. Известно, что подобный процесс для литья медных 
заготовок использовался в США 
с 1937 г. и назывался «Асарко-процесс». В зависимости от свойств 
отливаемых сплавов и особенностей процесса литья обогрев металлоприемника может осуществляться различными способами: 
газом (см. рис. 2.5, б, в) [7], электронагревателями или индуктором 
(рис. 2.6, а) [8].

Литейные машины с кристаллизаторами, вмонтированными в дно 

печи, нашли применение при производстве небольших заготовок 
из драгоценных сплавов (рис. 2.6). Причем для уменьшения потерь 
расплава связанных с угаром, скрапом и окислением плавку ведут 
непосредственно в разливочном металлоприемнике в среде защитного газа или вакууме. Во время плавки отверстие, соединяющее печь 
и кристаллизатор, перекрывают пробкой. Высокочастотный индукционный нагрев создает активное перемешивание расплава. Для контроля температурных параметров процесса литья и плавки используются 
термопары, установленные в стенке тигля и внутри керамического 
стопора. Тигель для плавки и разливки, как и кристаллизатор, изготавливается из графита. Кристаллизатор соединяется с донной частью тигля при помощи клея или резьбы (рис. 2.6, б). Нижняя часть 
кристаллизатора соединяется с водоохлаждаемым кессоном, изготавливаемым из меди, бронзы или латуни.

Рис. 2.4. Общая схема непрерывного 

вертикального литья

в кристаллизатор скольжения:

1 – корпус кристаллизатора;

2 – рубашка (гильза); 3 – распределительное устройство; 4 – струя воды; 
5 – жидкий металл (лунка слитка); 

6 – слиток