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

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2794 

Кафедра литейных технологий и художественной 
обработки материалов 

С.А. Таволжанский 
 

Производство слитков 
из цветных металлов и сплавов 

Непрерывное литье слитков  
из цветных металлов и сплавов  
в подвижные кристаллизаторы 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2016 

УДК 621.74 
 
Т13 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. В.С. Золотаревский; 
д-р техн. наук, проф. ИЦМиМ ФГАОУ ВПО  
«Сибирский федеральный университет» С.В. Беляев 

Таволжанский С.А. 
Т13  
Производство слитков из цветных металлов и сплавов : непрерывное литье слитков из цветных металлов и сплавов в подвижные кристаллизаторы : учеб. пособие / С.А. Таволжанский. – М. : 
Изд. Дом МИСиС, 2016. – 73 с. 
ISBN 978-5-87623-992-1 

Приведены общие сведения по технологии производства слитков из 
цветных металлов и сплавов методами непрерывного литья в подвижные 
кристаллизаторы. Рассмотрены принципиальные схемы и конструкции агрегатов непрерывного литья с подвижными кристаллизаторами и представлены 
области их применения. Приведены некоторые теплофизические расчеты 
процессов формирования и затвердевания непрерывно литых заготовок в 
подвижных кристаллизаторах. 
Содержание учебного пособия соответствует программе курса «Производство слитков из цветных металлов и сплавов». 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Металлургия». 
УДК 621.74 

 
 С.А. Таволжанский, 2016 
ISBN 978-5-87623-992-1 
 НИТУ «МИСиС», 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение .................................................................................................... 4 
1. Общая характеристика процессов непрерывного литья в 
подвижные кристаллизаторы .................................................................. 6 
Контрольные вопросы ........................................................................ 16 
2. Бесслитковая прокатка расплава ....................................................... 17 
2.1. Технология, оборудование и материалы для бесслитковой 
прокатки .............................................................................................. 17 
2.2. Теплофизические закономерности формирования полосы  
при бесслитковой прокатке с нижней подачей расплава ................ 23 
Контрольные вопросы ........................................................................ 30 
3. Непрерывное литье намораживанием .............................................. 31 
3.1. Непрерывное литье намораживанием с подачей расплава 
сверху ................................................................................................... 31 
3.2. Непрерывное литье намораживанием с подачей расплава  
снизу..................................................................................................... 35 
3.3. Непрерывное литье намораживанием с подачей расплава  
сбоку .................................................................................................... 42 
3.4. Непрерывное литье намораживанием на внутреннюю 
поверхность вращающегося кристаллизатора ................................. 47 
Контрольные вопросы ........................................................................ 48 
4. Непрерывное литье между валком и лентой (роторная разливка) ...... 49 
4.1. Технология, оборудование  и материалы роторной  
разливки ............................................................................................... 50 
4.2. Гидродинамические и теплофизические закономерности 
формирования заготовки при роторной разливке ........................... 57 
Контрольные вопросы ........................................................................ 60 
5. Непрерывное литье в кристаллизаторы ленточного типа .............. 61 
5.1. Кристаллизатор гусеничного типа Hunter Duglas ..................... 61 
5.2. Кристаллизатор ленточного типа Хазелетт............................... 63 
5.3. Кристаллизатор ленточного типа Hunter Ingineering ............... 68 
Контрольные вопросы ........................................................................ 69 
Заключение .............................................................................................. 70 
Библиографический список ................................................................... 71 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Из цветных металлов и сплавов изготавливается большое количество полуфабрикатов небольших поперечных сечений (пруток, катанка, лента, полоса). Преимущественным способом их изготовления 
является обработка давлением нагретых слитков с большими усилиями деформации. Такая технологическая схема характеризуется 
значительным количеством длительных металлургических переделов 
и низким выходом годного, обусловленным потерями металла при: 
плавке, подготовке слитков к деформации, непосредственно самой 
деформации, отделке деформированных полуфабрикатов и пр. Неудивительно, что при массовом производстве подобных полуфабрикатов стремление к повышению эффективности их изготовления заставило искать альтернативные технические решения. 
Крупнейшим достижением металлургии ХХ в. является разработка непрерывного процесса слиткообразования и широкое его использование. Преимущество непрерывного литья состоит не только в сокращении цикла металлургического производства, но и в повышении 
качества слитков из-за высокой степени их однородности. Это позволяет уменьшить технологические отходы при последующей обработке металлов давлением и дает возможность сократить разброс 
технологических параметров. 
Эффективность процессов непрерывного литья еще больше возрастает при совмещении их с обработкой давлением в единую непрерывную производственную линию. С середины ХХ в. начали осваиваться мощные технологические линии, объединяющие плавку, литье и прокатку в едином технологическом комплексе – литейнопрокатном агрегате (ЛПА). Решение данной задачи стало возможным 
благодаря использованию в составе ЛПА подвижных кристаллизаторов (валкового, роторного и ленточного типов), характеризующихся 
значительно более высокими скоростями литья, чем кристаллизаторы скольжения. Позднее были разработаны процессы совмещенного 
литья и прессования. 
Использование совмещенных технологических процессов открывает большие перспективы по повышению металлургического производства. Первичная теплота слитка используется для его деформации, что в большинстве случаев полностью исключает предварительный нагрев слитков перед прокаткой. Это позволяет исключить 
промежуточный склад заготовок, а также печи для их нагрева и дос

тичь полной непрерывности процессов литья и прокатки. Машины, 
входящие в состав ЛПА, становятся более компактными, что исключает применение громоздких и дорогостоящих обжимных станов. В 
связи с этим существенно снижаются удельные капитальные затраты 
и значительно повышается производительность труда. Сегодня ЛПА 
широко применяются во всем мире при производстве электротехнической катанки из алюминия и меди, листовых заготовок из цветных 
металлов, в том числе и для производства фольги. 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ 
НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ В ПОДВИЖНЫЕ 
КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ 

В неподвижных кристаллизаторах затвердевающая корка слитка 
перемещается относительно поверхности кристаллизатора, что приводит к возникновению сил трения между кристаллизатором и затвердевающей коркой. Затвердевающая корка обладает малой прочностью в силу высокой температуры, близкой к температуре ликвидус сплава.  В случае обрыва корки процесс литья прекращается. 
Именно прочность начальной корки является лимитирующим фактором максимальной производительности неподвижных кристаллизаторов, где увеличение скорости литья приводит к уменьшению толщины и соответствующему уменьшению прочности затвердевающей 
корки. 
В подвижных кристаллизаторах затвердевающая корка неподвижна 
относительно поверхности кристаллизатора, а следовательно, прочность начальной корки не лимитирует максимально возможную производительность метода. Конструкции подвижных кристаллизаторов 
бывают самые разнообразные – в виде вращающихся одного или двух 
валков, диска, барабана и ленты, одной или двух лент. Максимально 
возможная производительность в таких кристаллизаторах ограничивается только интенсивностью отвода тепла и их размерами. 
Бесслитковая прокатка. Родоначальником применения подвижных кристаллизаторов для производства непрерывно-литых металлических заготовок, можно считать английского изобретателя Генри 
Бессемера (Henry Bessemer). В 1848 г. Бессемер предложил изготавливать фольгу из олова и других металлов, пропуская через валки 
прокатного стана жидкий металл. Позднее он запатентовал способ, 
названный «бесслитковой прокаткой» (рис. 1.1), однако основной 
целью Бессемера являлось изготовление таким способом тонких 
стальных полос. Продуктом, получаемым со стана бесслитковой 
прокатки, являлась полоса сравнительно малой толщины – 6 мм 
и ниже. Однако многочисленные эксперименты, проведенные с 
различными марками стали, показали, что получаемая заготовка 
имеет значительное количество дефектов, резко снижающих ее 
качество и затрудняющих дальнейшую обработку: заусенцы, рваные края, неравномерная толщина как по ширине, так и по длине, 
волнистая поверхность. Способ не был осуществлен из-за конст

руктивных и технологических недостатков, связанных с большими 
давлениями на реборды в замкнутой межвалковой рабочей полости, а также высокой дефектности заготовки вследствие обжатия 
металла с жидкой фазой [1–4]. 

 

Рис. 1.1. Способ «бесслитковой прокатки» Бессемера: 
а – эскиз, сделанный сэром Генри Бессемером; б – установка, 
запатентованная им в 1865 г. 

Реализовать бесслитковую прокатку Бессемера для стали удалось 
лишь к концу ХХ в. благодаря современным разработкам в области 
компьютерных технологий, техники измерений, управления и регулирования, а также созданию специальных видов керамики, систем заливки и защиты расплава. Очевидно, что для цветных металлов за счет 
более низкой температуры плавления широкое внедрение бесслитковой прокатки началось раньше. 
Американский изобретатель Кларенс Хазелетт (Clarence W. Hazelett), анализируя бессемеровский метод, пришел к заключению, что 
для устранения неоднородности структуры и неудовлетворительной 

поверхности полосы надо лить металл сначала на одну охлаждаемую поверхность и дать ему затвердеть почти на всю его толщину, а 
после этого сглаживать еще не застывшую поверхность металла. 
В 1919 г. Хазелетт начал проводить исследования в области бесслитковой прокатки. Для этой цели был сконструирован стан нового типа, 
(рис. 1.2), который представляет собой вертикальное стальное кольцо 
диаметром около шести метров, поддерживаемое горизонтальными роликами, из которых верхний – приводной. Скорость линейной поверхности вращающегося кольца и валков достигала 150 м/мин. На этом 
стане Хазелетт получал из меди, латуни и стали ленту толщиной до 
0,4 мм и шириной до 75 мм, и, по его заявлению, металл был с хорошей 
поверхностью и без сегрегации. 

 

Рис. 1.2. Стан бесслитковой прокатки Хазелетта: 
1 – заливочное устройство; 2 – приводной ролик; 3 – опорный ролик; 
4 – стальное кольцо 

В 1929 г. Хазелеттом была запущена первая промышленная 
установка на базе описанного стана для производства свинцовых 
решеток для автомобильных аккумуляторных батарей. Процесс 
разливки был совмещен с последующей механической штамповкой, превращающей непрерывно-литую полосу в решетку [1, 5]. 
Аналогичными исследованиями в Советском Союзе в 30-е гг. 
ХХ в. занимались А.В. Улитовский и Е.Г. Николаенко. В разработанном авторами способе, названном «жидкой прокаткой», непрерывно-литая заготовка формируется несколько иначе (рис. 1.3). 
Жидкий металл заливается между двумя вращающимися валками, 
причем верхний валок меньшего диаметра находится не в верхней 
точке нижнего валка, а несколько сдвинут в сторону схода заготовки. 

Корочки металла, которые намораживаются на поверхности валков, 
сближаются и соединяются друг с другом. Не успевший затвердеть 
расплав при этом выжимается обратно в литниковую коробку. Внутри обоих валков предусмотрено водяное охлаждение. После выхода 
полосы из валков ее укладывают на транспортер для уменьшения 
напряжений. Авторам удалось получить листы толщиной от 0,3 до 
3 мм и длиной до 4 м. Эти листы сразу же после отливки использовались для изготовления деталей горячей штамповкой. Этим способом 
Улитовский изготовлял тонкие листы из хрупких материалов, например из никельалюминиевой магнитной стали [1, 3, 4]. 

 

Рис. 1.3. Жидкая прокатка расплава по способу Улитовского: 
1 – ковш с расплавом; 2 – чаша; 3 – лотковый питатель; 4 – приводной 
валок; 5 – неприводной валок; 6 – подвод охлаждающей воды;  
7 – ванна расплава 

На основе описанных методов были разработаны промышленные 
установки для получения полуфабрикатов в виде листов и полос 
применительно к цветным сплавам, а за способом закрепилось название «бесслитковая прокатка». Установки с валковыми кристаллизаторами различаются относительным расположением валков в пространстве и способом подачи расплава (рис. 1.4). Наибольшее распространение при производстве заготовок, преимущественно из 
алюминия и цинка, получили схемы с подачей расплава сбоку 

(рис. 1.4, б) и снизу (рис. 1.4, в). Бессемеровская схема с подачей 
расплава сверху (рис. 1.4, а) не получила широкого распространения 
применительно к цветным металлам. 

 

Рис. 1.4. Валковые кристаллизаторы с заливкой расплава:  
а – сверху; б – сбоку; в – снизу;  
1 – валки-кристаллизаторы; 2 – заливочное устройство;  
3 – сформированная заготовка 

Агрегаты с валковыми кристаллизаторами оказались исключительно эффективны, когда их устанавливают у электролизеров. В 
этом случае первичный алюминий удается сразу перерабатывать в 
рулоны [3, 6, 7]. 
Непрерывное литье намораживанием. Более простыми в аппаратурном оформлении являются методы литья на один валок, получившие название – непрерывное литье намораживанием. В большинстве случаев данные методы разрабатывались для решения конкретных технологических задач, например, изготовления трудно деформируемых припоев в виде тонких лент, матричных листов свинца для 
электролиза, решеток для автомобильных аккумуляторов из сплава 
на основе свинца, биметаллических лент, магнитных материалов, 
аморфных материалов и т.п. Литье намораживанием позволяет добиться высокого уровня свойств и качества получаемых заготовок 
для технологически сложных сплавов по сравнению с изготовлением 
тонких заготовок из этого же сплава стандартными методами литья и 
прокатки. Вместе с тем формирование заготовки при литье намораживанием является весьма тонким технологическим и сложным по 
физической сущности процессом, на который оказывают серьезное 
влияние, иногда, казалось бы, самые незначительные факторы. 

В общем случае методы непрерывного литья намораживанием 
можно разделить на три группы – в зависимости от способа подачи 
расплава. Подача расплава на валок может осуществляться снизу, 
сверху и сбоку. Способ подачи расплава на вращающийся валок снизу (рис. 1.5, а) получил название – экстракция заготовки из расплава; 
сбоку – боковая подача расплава (рис. 1.5, б); сверху – метод спиннингования расплава (рис. 1.5, в) [7, 8]. 

 

Рис. 1.5. Схемы литья намораживанием:  
а – снизу; б – сбоку; в – сверху; 1 – заливочное устройство; 2 – валоккристаллизатор; 3 – сформированная заготовка 

Роторная разливка. Другая группа методов непрерывного литья в 
зазор между валком и лентой применяется преимущественно для получения заготовок компактного сечения и получила название роторной разливки (от англ. rotary – вращательный). Одним из первых 
идею литья заготовок в зазор между валком и лентой предложил 
Лаймон (Limon). В 1882 г. он сконструировал установку, предназначенную для отливки полос из типографских сплавов. Впоследствии 
целый ряд исследователей разрабатывал агрегаты роторной разливки 
для различный целей [1]. Наибольших успехов в освоении данного 
способа литья добился итальянский изобретатель Иларио Проперци 
(Ilario Properzi) в середине ХХ в. Технология была ориентирована на 
изготовление электротехнической катанки из алюминия и меди революционным для того времени совмещенным методом непрерывного 
литья и прокатки. Несколько позднее были предложены видоизмененные конструкции роторной разливки другими изобретателями.