Шевелєв Олександр Іванович. Розвиток теорії та практика обробки тиском вторинних кольорових металів і сплавів з одержанням заготівок та виробів для металургії і машинобудування

brief description

Шевелєв Олександр Іванович. Розвиток теорії та практика обробки тиском вторинних кольорових металів і сплавів з одержанням заготівок та виробів для металургії і машинобудування : Дис... д-ра наук: 05.03.05 2008

Шевелєв О.І. «Розвиток теорії та практика обробки тиском вторинних кольорових металів і сплавів з одержанням заготівок та виробів для металургії і машинобудування».-Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - «Процеси та машини обробки тиском». Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет», Донецьк, 2008.
Уперше для підвищення пластичності литих вторинних кольорових металів і сплавів запропонована й реалізована зм'якшуюча обробка, яка заснована на їхній деформації методом гвинтової екструзії. Розроблено теоретичну модель, що описує можливість підвищення пластичності вторинних кольорових металів і сплавів при великій пластичній деформації під тиском, яка відрізняється від відомих урахуванням дроблення й гомогенізацію тендітних фаз при пластичній деформації цих матеріалів.
Одержали подальший розвиток теорія й практика процесів волочіння й пресування вторинних кольорових металів, сплавів і шлаків шляхом урахування особливостей їх деформації. На цій основі розроблені й реалізовані технології одержання дротових виробів із вторинних цинкових, свинцевих, олов'яно-свинцевих і мідних сплавів, які засновані на застосуванні нових операцій і устаткування (гаряче пресування з коефіцієнтом витяжки 200-400; двостадійна обробка литих заготовок: гаряче пресування або холодне гідропресування з наступним волочінням, гаряче гвинтове пресування з наступним гарячим прямим пресуванням прутків).
Створено промисловий комплекс по глибокій переробці брухту, шлаків і стружки алюмінію, міді, цинку, свинцю і їхніх сплавів. Організовано дрібносерійне виробництво виробів з кольорових металів і сплавів.

У дисертації вирішена актуальна науково-технічна проблема створення дрібносерійного виробництва заготовок і виробів із вторинних кольорових металів і сплавів на основі розробки нових процесів попередньої інтенсивної пластичної деформації вказаних матеріалів під тиском, що підвищують їхню технологічну пластичність, і розвитку методів, що стабілізують процеси обробки тиском.

Головними особливостями вторинних кольорових металів і сплавів, по відношенню до первинних, в плані обробки тиском, є менш стабільні механічні характеристики і менша технологічна пластичність із-за забрудненості їх домішками. Прийнятий в цих умовах підхід до рециклюванню вторинних кольорових металів приводить до того, що переважний об'єм вторинної сировини вивозиться з України за кордон у вигляді злитків. Тому, створення системи глибокої переробки вторинних кольорових металів і сплавів і організація дрібносерійного виробництва заготовок і виробів при заводах вторинної кольорової металургії, заснованого на операціях обробки тиском, є актуальною комплексною проблемою, рішення якої вимагає проведення досліджень і розробок, починаючи із збору брухту і відходів і закінчуючи виробництвом заготовок і виробів, які за своїми показниками не поступаються тим, що отримані з первинної сировини.
В результаті виконаних досліджень розроблені нові методи підготовки брухту і відходів вторинних кольорових металів, що гарантують значне звуження діапазону варіації хімічного складу злитків, в порівнянні з тим, що допускається ДОСТом, і що забезпечують високу стабільність механічних характеристик сплавів перед деформаційною обробкою.
Щодо деформованості вторинних алюмінієвих сплавів встановлене наступне:

сплави типу А0, АД-1, АМг2 мають достатньо високу пластичність в литому стані, що дозволяє обробляти їх методами холодного плющення і гідропресування з метою перетворення литої структури в деформовану і відповідним підвищенням механічних властивостей;
пластичність сплавів типу АК5М2, АВ87, АК-7 в литому стані недостатня для обробки їх тиском при кімнатній температурі, що обумовлене крихкими фазами пластинчастої форми, що виділяються при кристалізації по межах зерен;
гомогенізуючий відпал сплавів АК5М2, АВ87, АК-7 в литому стані дозволяє частково розчинити і коагулювати крихкі фази, що відкриває можливість обробки цих сплавів тиском;
структура і властивості заготовок для подальшої обробки тиском визначаються двома чинниками: швидкістю кристалізації відливання і режимом гомогенізуючого відпалу. При збільшенні швидкості кристалізації формується більш дисперсна структура, що сприяє прискоренню дифузійних процесів при відпалі і підвищує пластичність сплавів. Оптимальна тривалість гомогенізуючого відпалу, при якій сплави АК5М2, АВ87, АК-7 володіють високою деформованістю, складає 5-6 ч., подальше збільшення тривалості витримки при відпалі приводить до коалесценції фаз, огрубленню інтерметалідів і, отже, до зниження пластичності.

Розроблена теоретична модель для дослідження деформованості вторинних кольорових металів і сплавів, яка описує можливість підвищення їх пластичності при великій пластичній деформації під тиском. Принципова відмінність цієї моделі від відомих полягає у виразі для приросту ступеня використання запасу пластичності . Останнє враховує зменшення із-за дроблення і гомогенізації крихких фаз при пластичній деформації вторинних кольорових металів і сплавів під тиском. Розроблена теоретична модель показала, що значно збільшити пластичність вторинних алюмінієвих сплавів можна шляхом їх попередньої теплої пластичної деформації (еквівалентна деформація порядку 1) при тиску 100 МПа. Тобто, необхідна двостадійна деформація вторинних сплавів: на першій стадії, з метою забезпечення достатньо високої пластичності, на другій для формоутворення.
Вперше запропонована і реалізована пом'якшувальна обробка литих вторинних алюмінієвих сплавів, заснована на їх деформації методом гвинтової екструзії. Показано, що тепла гвинтова екструзія з протитиском приводить до хорошого опрацьовування литої структури і роздроблення крихкого міжзеренного каркаса в литих заготовках вторинного алюмінію. В результаті цього підвищується пластичність сплавів і з'являється можливість їх подальшої деформації традиційними методами ОМТ з метою надання необхідної форми.
Вперше запропонований і реалізований спосіб отримання заготовок вторинних алюмінієвих сплавів безпосередньо із стружкової сировини (утилізації відходів, минувши переплавку), заснований на консолідації його методом теплої гвинтової екструзії з протитиском. Щільність відпресованого стрижня складає 2,73-2,74 г/см3, тобто практично дорівнює щільності монолітного матеріалу. Такі заготовки володіють високою пластичністю, що дозволяє обробляти їх традиційними методами ОМТ.
Встановлено, що нестабільність процесу гідропресування порожнистих заготовок із вторинних алюмінієвих сплавів типу АМг2, яка виражається в різких підйомах тиску і зупинках процесу, обумовлена осіданням заготовок на рухомій оправці. Розроблена математична модель процесу, що враховує неминучі варіації напруги перебігу в рамках однієї марки сплаву, дозволила встановити критерій відсутності осідання і визначити параметри процесу, що забезпечує стабільне його протікання: кут західного конуса матриці повинен складати 2a = 90, а коефіцієнт витяжки при деформації повинен знаходитися в межах 7,4-10,5. Деформація з вищим коефіцієнтом витяжки викликає порушення стабільності протікання процесу гідропресування. Розроблена математична модель є елементом подальшого розвитку теорії гідропресування на рухомій оправці.

Запропоновані і реалізовані наступні технологічні схеми отримання дротяних виробів з вторинних цинкових, свинцевих, олов'яно-свинцевих і мідних сплавів: гаряче пресування литих заготовок з великими коефіцієнтами витяжки (200-400); холодне гідропресування литих заготовок; два варіанти двостадійних процесів переробки литих заготовок: гаряче пресування або холодне гідропресування і волочіння отриманих стрижнів; гаряче гвинтове пресування і гаряче пресування стрижнів.
Отримала подальший розвиток математична модель гарячого пресування з великими коефіцієнтами витяжки шляхом встановлення співвідношень, що зв'язують між собою величини розігрівання заготівки при різних швидкостях руху плунжера. Розроблена математична модель дозволила встановити, що для забезпечення стабільності процесу гарячого пресування дроту з вторинних цинкових і олов'яно-свинцевих сплавів (без розриву при великих коефіцієнтах витяжки, обумовлених плавленням легкоплавких складових сплаву в результаті його деформованого розігрівання) необхідна регламентація двох основних параметрів: температури нагріву заготовок (у дослідженому варіанті 100С) і швидкості пресування (у дослідженому варіанті 2,5 мм/с).
Вперше показано, що нестабільність процесу волочіння композитного трубчастого припою з вторинних олов'яно-свинцевих сплавів, що виражається в перериванні жили флюсу або розривах припою, обумовлена, відповідно, недостатнім або надмірним об'ємом флюсу. Розроблена математична модель процесу дозволила зв'язати ступінь наповнення припою флюсом із швидкістю руху заготівки на вході в стан тонкого волочіння і створити на цій основі систему коректування подачі флюсу, яка усунула брак продукції.
Отримав подальший розвиток процес пресування гарячого шлаку шляхом здійснення його в умовах низькочастотних вібрацій оснащення. Дано пояснення отриманого ефекту повнішого витягання алюмінію з шлаків, яке полягає в тому, що при сумісній дії пресування і вібрацій руйнується структура конгломератів порошку, що утворюються після досягнення щільності суміші 70-75%.
Вдосконалено процес одноосного пресування шлаків барабанного гуркоту. Показано, що додавання в них 30% магнітній фракції, що утворюється при переробці сипкої алюмінієвої стружки на лінії магнітної сепарації, забезпечує достатньо міцне зчеплення шлаків в процесі їх одноосного пресування при тиску у діапазоні 300-650 МПа. Додаток тиску поза межами цього діапазону приводить до розшарування пресувань.
Створено промисловий комплекс по глибокій переробці лому, шлаків і стружки алюмінію, міді, цинку, свинцю і їх сплавів. На відміну від більшості тих, що діють в країнах СНД аналогічних підприємств, де практично всі операції по сортуванню брухту і відходів проводяться уручну, на створеному комплексі введені в дію механізовані лінії по підготовці мідьвмісного брухту до металургійного переділу, по переробці алюмінієвих шлаків, по сепарації алюмінієвої стружки, установка по видобутку алюмінію під одночасною дією тиску і вібрації. До складу комплексу входить плавильне, розливне і ливарне устаткування, устаткування для гарячого і холодного пресування, волочіння.
Розроблені і освоєні технології утилізації брухту і відходів вторинних кольорових металів і сплавів, організований випуск напівфабрикатів і готових виробів. За рахунок освоєння вказаних технологій і устаткування отриманий сумарний річний економічний ефект 6388,4 тис. гривень. Частка автора дисертації 1277,48 тис. грн.
Організовано дрібносерійне виробництво виробів із кольорових металів і сплавів стрижнів різного призначення, олов'яно-свинцевого дроту (припою), дистанційних кілець, кабельних наконечників і гільз, профілів для віконних вітражів, брикетів з відходів, шлаків і стружки.
Поставлені перспективи подальшого розвитку комплексу по глибокій переробці вторинних кольорових металів і сплавів з метою розширення сортаменту і об'ємів дрібносерійного виробництва заготовок і готових виробів.