RU2467827C1

RU2467827C1 - Method of wire casting and plant to this end

Info

Publication number: RU2467827C1
Application number: RU2011116228/02A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Котов; Георгий Георгиевич Кривенко; Валентин Степанович Казаков; Александр Александрович Дармов
Original assignee: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Объединение "Техномаш"
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2012-11-27

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy. Wire casting from alloy based on aluminium-rare-earth metal system comprises metal smelting, adding alloying components to melt, its degassing and discharging via pipeline and gauging bush with subsequent crystallisation of liquid metal jet in cooling medium and displacing toward spreader. Smelting and degassing are performed in vacuum furnace at low vacuum. Crystallisation is performed in crystalliser by cooling medium sprayed at acute angle to liquid metal jet.

EFFECT: higher ductility of electrical wire.

8 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Группа изобретений относится к области металлургии и может быть использована для производства путем непрерывного литья металлической проволоки электротехнического назначения с повышенными физико-механическими свойствами и незначительного веса, используемой, например, для бортовых кабельных сетей (БКС) летательных аппаратов.The group of inventions relates to the field of metallurgy and can be used for the production by continuous casting of metal wire for electrical purposes with improved physical and mechanical properties and low weight, used, for example, on-board cable networks (BCS) of aircraft.

Весьма важным фактором при производстве летательных аппаратов является снижение веса их деталей, узлов и агрегатов, в частности БКС. В настоящее время для прокладки БКС используется медная проволока, плотность которой равна 8,94 г/см³. Проблему снижения веса БКС можно решить заменой медной проволоки на алюминиевую, плотность которой равна 2,71 г/см³. Однако чистый алюминий уступает меди по прочности и жаропрочности.A very important factor in the manufacture of aircraft is the reduction in the weight of their parts, components and assemblies, in particular BCS. Currently, copper wire is used for laying BCS, the density of which is 8.94 g / cm ³ . The problem of reducing the weight of BCS can be solved by replacing the copper wire with aluminum wire, whose density is 2.71 g / cm ³ . However, pure aluminum is inferior to copper in strength and heat resistance.

Данная проблема может быть решена производством проволоки из сплавов на основе алюминия, обладающих высокими физико-механическими свойствами как при низких, так и при высоких температурах. Наиболее перспективными для этих целей являются сплавы на основе системы алюминий - редкоземельные металлы (РЗМ), такие как церий, иттрий, лантан, миш-металл (ММ).This problem can be solved by the production of wire from aluminum-based alloys with high physical and mechanical properties both at low and high temperatures. The most promising for these purposes are alloys based on the aluminum - rare-earth metals (REM) system, such as cerium, yttrium, lanthanum, misch metal (MM).

Известно, что при высокой скорости охлаждения металла 10³-10⁴ К/с РЗМ практически полностью выделяются в виде интерметаллидных фаз типа Al₄Me. При этом микроструктура полуфабрикатов представляет собой чистый алюминий с равномерно распределенными по зерну микроскопическими интерметаллидами. Благодаря этому обеспечивается повышенная прочность, жаропрочность и практически полностью сохраняется электропроводность.It is known that at a high metal cooling rate, 10 ³ -10 ⁴ K / s REMs are almost completely released in the form of intermetallic phases of the Al ₄ Me type. In this case, the microstructure of the semi-finished products is pure aluminum with microscopic intermetallides evenly distributed over the grain. Due to this, increased strength, heat resistance and electrical conductivity are almost completely preserved.

Достигнуть быстрой кристаллизации возможно на малом объеме жидкого металла. Так, известна технология получения проволоки из гранул сплава алюминия, легированного 6-8% РЗМ, и состоит из операций: гранулирования расплава в воду, дегазация в алюминиевых стаканах в вакуумных печах, горячего компактирования, обточки стакана, горячего прессования в прутки диаметром 10-12 мм и волочения до диаметра 1-0,5 мм (ТУ 1-809-1038-96).Achieve rapid crystallization is possible on a small volume of liquid metal. So, the known technology for producing wire from granules of an aluminum alloy doped with 6-8% REM, and consists of operations: granulation of the melt into water, degassing in aluminum cups in vacuum furnaces, hot compaction, turning the cup, hot pressing into rods with a diameter of 10-12 mm and drawing to a diameter of 1-0.5 mm (TU 1-809-1038-96).

Однако технология трудоемка, требует большого парка оборудования и расхода электроэнергии, а кроме того, при последующем волочении на более тонкие размеры (диаметром до 0,08 мм) проволока рвется из-за наличия окислов и межкристаллитных фаз.However, the technology is time-consuming, requires a large fleet of equipment and energy consumption, and in addition, with subsequent drawing to thinner sizes (with a diameter of up to 0.08 mm), the wire breaks due to the presence of oxides and intergranular phases.

Известен способ непрерывного литья заготовок, включающий плавку металла в печи, вытягивание в горизонтальном положении с помощью холодной проволочной затравки жидкой струи металла, охлаждение ее непосредственно водой. Устройство для непрерывного литья проволочной заготовки включает печь с отверстием, в котором установлен калибрующей мундштук, тянущее устройство (а.с. СССР №64127, кл. В22D 11/14).A known method for the continuous casting of billets, including melting metal in a furnace, stretching in a horizontal position using cold wire seeding of a liquid metal stream, cooling it directly with water. A device for continuous casting of a wire billet includes a furnace with an opening in which a calibrating mouthpiece is installed, a pulling device (AS USSR No. 64127, class B22D 11/14).

В данном устройстве скорость вытягивания жидкой струи из печи составляет порядка 36 м/час. Данный способ малопроизводителен, получить проволоку малого диаметра (1-3 мм) не представляется возможным ввиду малой протяженности и потери устойчивости жидкой струи.In this device, the speed of drawing a liquid stream from the furnace is about 36 m / h. This method is inefficient, to obtain a wire of small diameter (1-3 mm) is not possible due to the small length and loss of stability of the liquid stream.

Известен способ непрерывного литья тонкой металлической проволоки и установка для его осуществления, согласно которому расплавленный металл помещают в резервуар, куда подают инертный газ. Из резервуара жидкую струю металла выпускают на перемещающуюся подложку, непрерывно охлаждая струю потоком жидкости, подаваемой на подложку, при этом осуществляют диссипацию турбулентности подаваемой жидкости, которую ускоряют перед входом в нее струи металла.A known method of continuous casting of a thin metal wire and installation for its implementation, according to which the molten metal is placed in the tank, which serves an inert gas. From the reservoir, a liquid metal stream is released onto a moving substrate, continuously cooling the stream with a stream of liquid supplied to the substrate, while the turbulence of the supplied liquid is dissipated, which is accelerated before the metal stream enters it.

Установка для непрерывного литья тонкой металлической проволоки содержит перемещаемую подложку, установленный над ней резервуар с выпускным разливочным стаканом и трубопровод для подачи охлаждающей жидкости на подложку, причем установка оснащена сеткой, установленной перпендикулярно направлению перемещения охлаждающей жидкости на участке между выходным торцом трубопровода и выпускным разливочным стаканам (см патент СССР №1819186, кл. B22D 11/06, 1993 г) - наиболее близкий аналог для способа и установки.The apparatus for continuous casting of thin metal wire contains a movable substrate, a tank with an outlet pouring nozzle installed above it, and a pipeline for supplying coolant to the substrate, the apparatus being equipped with a grid installed perpendicular to the direction of movement of the coolant in the region between the outlet end of the pipeline and the outlet nozzles ( see USSR patent No. 1819186, class B22D 11/06, 1993) - the closest analogue for the method and installation.

В результате анализа данного решения необходимо отметить, что при ударном контакте струи расплавленного металла с водой, независимо, от того, ламинарен или турбулентен ее поток, струя металла трансформируется в виде шариков (гранул) или примет вид бесконечно движущихся шариков, соединенных тонкими перемычками, что резко снижает основные характеристики полученной проволоки. Кроме того, при используемом методе охлаждения металла невозможно получить достаточно высокую скорость кристаллизации и микроскопические интерметаллиды в структуре. Это обусловлено тем, что охлаждение струи металла ведется в начальный момент с одной стороны, а не со всех сторон. При попадании жидкой струи в воду между водой и жидким металлом образуется паровая рубашка, в результате чего резко ухудшается теплоотдача.As a result of the analysis of this solution, it should be noted that when the jet of molten metal impacts with water, regardless of whether its flow is laminar or turbulent, the metal jet transforms into balls (granules) or takes the form of infinitely moving balls connected by thin jumpers, which sharply reduces the main characteristics of the resulting wire. In addition, using the metal cooling method used, it is impossible to obtain a sufficiently high crystallization rate and microscopic intermetallic compounds in the structure. This is due to the fact that the cooling of the metal stream is carried out at the initial moment on one side, and not on all sides. When a liquid stream enters the water between water and the liquid metal, a steam jacket is formed, as a result of which the heat transfer sharply worsens.

Техническим результатом настоящей группы изобретений является разработка способа и установки, обеспечивающих получение электротехнической проволоки из сплава, состоящего из алюминия, РЗМ или ММ, с повышенными физико-механическими свойствами, в том числе пластичностью, что позволяет впоследствии волочением получать проволоку диаметром 0,08-1 мм.The technical result of this group of inventions is the development of a method and installation that provide electrical wire from an alloy consisting of aluminum, rare-earth metals or MM, with improved physical and mechanical properties, including ductility, which subsequently allows drawing wire with a diameter of 0.08-1 mm

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе литья проволоки, включающем плавку металла, введение в расплав легирующих компонентов, дегазацию расплава и его выпуск по трубопроводу через калибрующую втулку с последующей кристаллизацией струи жидкого металла в охлаждающей среде и отводом ее посредством движущейся подложки к укладчику, новым является то, что, плавку и дегазацию ведут в вакуумной печи в низком вакууме, а кристаллизацию осуществляют в кристаллизаторе охлаждающей средой, причем на входе струи жидкого металла в кристаллизатор охлаждающую среду подают в виде распыленных частиц под острым углом по направлению движения кристаллизуемой струи, при этом диаметр распыленных частиц охлаждающей среды составляет не более 0,01-0,1 диаметра жидкой струи кристаллизуемого расплава, а распыленные частицы охлаждающей среды подают к жидкой струе металла под углом 2-7° в направлении перемещения жидкой струи расплава, при этом плавку и дегазацию расплава ведут при давлении 10^-2÷10^-3 мм рт.ст.The specified technical result is ensured by the fact that in a method of casting a wire, which includes melting metal, introducing alloying components into the melt, degassing the melt and releasing it through a pipe through a calibrating sleeve, followed by crystallization of the liquid metal jet in a cooling medium and its removal through a moving substrate to the stacker, new is that, melting and degassing are carried out in a vacuum furnace in a low vacuum, and crystallization is carried out in the mold with a cooling medium, and at the inlet of a liquid In the mold, the cooling medium is supplied in the form of atomized particles at an acute angle in the direction of motion of the crystallized jet, while the diameter of the atomized particles of the cooling medium is not more than 0.01-0.1 times the diameter of the liquid jet of the crystallized melt, and the atomized particles of the cooling medium are supplied to the liquid a metal stream at an angle of 2-7 ° in the direction of movement of the liquid stream of the melt, while melting and degassing the melt is carried out at a pressure of 10 ^-2 ÷ 10 ^-3 mm RT.article

Установка для литья проволоки содержит вакуумную печь с тиглем для плавки и дегазации расплава, подогреваемый трубопровод с калибрующий втулкой на его конце, а также подложку для подачи проволоки в приемное устройство. Кристаллизатор установлен под калибрующей втулкой трубопровода и выполнен в виде полого корпуса с патрубком для подвода охлаждающей среды и осевым отверстием для прохода струи кристаллизуемого металла, нижняя стенка корпуса выполнена конической формы и вершиной направлена вверх, а на дне имеются форсунки, выполненные под углом в вертикальной оси корпуса, к нижней части которого пристыкована воронка, имеющая коническую форму, при этом форсунки кристаллизатора расположены под углом 2-7° к вертикальной оси корпуса, а угол конусности воронки составляет 4-14°.Installation for casting wire contains a vacuum furnace with a crucible for melting and degassing the melt, a heated pipeline with a calibrating sleeve at its end, and also a substrate for feeding the wire to the receiving device. The mold is installed under the calibrating sleeve of the pipeline and is made in the form of a hollow body with a nozzle for supplying a cooling medium and an axial hole for the passage of a jet of crystallized metal, the lower wall of the body is conical and the top pointing upwards, and at the bottom there are nozzles made at an angle in the vertical axis case, to the lower part of which a funnel having a conical shape is docked, while the mold nozzles are located at an angle of 2-7 ° to the vertical axis of the case, and the crow angle is Ki is 4-14 °.

Сущность заявленной группы изобретений поясняется графическими материалами, на которых:The essence of the claimed group of inventions is illustrated by graphic materials on which:

на фиг.1 - установка для непрерывного литья проволоки, общий вид;figure 1 - installation for continuous casting of wire, General view;

на фиг.2 - кристаллизатор, осевой разрез;figure 2 - mold, axial section;

на фиг.3 - вид А по фиг.2.figure 3 is a view of figure 2.

Таблица - сравнительные данные физико-механических свойств проволоки по заявленному изобретению на заявленной установке по сравнению с проволокой, полученной гранульной технологией по ТУ 1-809-1038-96.Table - comparative data on the physico-mechanical properties of the wire according to the claimed invention on the claimed installation compared to the wire obtained by the granular technology according to TU 1-809-1038-96.

Установка для литья проволоки включает вакуумную печь 1 с установленным в ней тиглем 2, подогреваемый трубопровод 3 для разливки металла, вакуумный агрегат 4, связанный с полостью печи 1, и агрегат 5 для подачи инертного газа в полость печи 1. Выходная часть трубопровода 3 оснащена калибрующей втулкой 6, размещенной над кристаллизатором 7, под которым смонтирована движущаяся подложка (например, транспортер) 8.The wire casting installation includes a vacuum furnace 1 with a crucible 2 installed in it, a heated pipe 3 for casting metal, a vacuum unit 4 connected to the cavity of the furnace 1, and a unit 5 for supplying inert gas to the cavity of the furnace 1. The outlet of the pipe 3 is equipped with a calibrating a sleeve 6 located above the mold 7, under which is mounted a moving substrate (for example, a conveyor) 8.

Кристаллизатор 7 выполнен в виде корпуса 9 с осевым отверстием для прохода выпускаемой из калибрующей втулки 6 струи металла. Корпус оснащен патрубком 10 для подвода охлаждающей среды. Нижняя стенка корпуса 11 имеет коническую форму, вершиной обращенной вверх, на которой расположены форсунки 12 для распыления охлаждающей среды. К нижней части корпуса пристыкована воронка 13, имеющая коническую форму. Форсунки 12 смонтированы на стенке 11 по концентрическим окружностям и наклонены по отношению к центральной вертикальной оси корпуса под углом 2-7°.The mold 7 is made in the form of a housing 9 with an axial hole for the passage of a jet of metal discharged from the calibrating sleeve 6. The housing is equipped with a pipe 10 for supplying a cooling medium. The lower wall of the housing 11 has a conical shape, with its apex facing upwards, on which nozzles 12 for spraying the cooling medium are located. A funnel 13 having a conical shape is docked to the lower part of the body. The nozzles 12 are mounted on the wall 11 in concentric circles and are inclined with respect to the central vertical axis of the housing at an angle of 2-7 °.

Струя металла обозначена поз.14.The metal stream is indicated by pos. 14.

Конструкция тигля 2, агрегатов 4 и 5 является известной, она не составляет предмета патентной охраны и поэтому в материалах заявки не раскрыта.The design of the crucible 2, units 4 and 5 is known, it does not constitute the subject of patent protection and, therefore, is not disclosed in the application materials.

Заявленный способ на приведенной выше установке осуществляют следующим образом.The claimed method on the above installation is as follows.

Загружают в тигель 2 печи 1 чушковый алюминий, подключают вакуумный агрегат 4, расплавляют металл и добавляют РЗМ в количестве 7-8 мас.%. Растворение РЗМ в алюминии происходит по экзотермической реакции с бурным выделение водорода. Присутствие водорода в металле более 0,25-0,30 см³/100 г ухудшает пластичность и при волочении резко уменьшается суммарная степень деформации. Поэтому осуществляют дегазацию расплава при температуре 800-850°C и вакууме 10^-3 мм рт.ст. После выдержки расплава в печь напускается инертный газ и под избыточным давлении расплав подается по подогреваемому трубопроводу 3 через калибрующую втулку 6 диаметром 1-3,0 мм в кристаллизатор 7. Выбранный диаметр струи металла обеспечивает скорость охлаждения не ниже 10³ К/с. В закристаллизованном состоянии проволока 14 посредством движущийся подложки 8 поступает к укладчику. С целью обеспечения цилиндрической формы проволоки, сохранения устойчивости и увеличения протяженности струи жидкого металла кристаллизацию осуществляют на вертикальном участке истечения металла.Download 1 crucible aluminum into the crucible 2 of the furnace, connect the vacuum unit 4, melt the metal and add REM in the amount of 7-8 wt.%. The dissolution of rare-earth metals in aluminum occurs through an exothermic reaction with rapid evolution of hydrogen. The presence of hydrogen in the metal more 0.25-0.30 cm ^3/100 g and degrades the ductility during drawing is sharply reduced degree of total deformation. Therefore, degassing of the melt is carried out at a temperature of 800-850 ° C and a vacuum of 10 ^-3 mm Hg. After holding the melt, inert gas is injected into the furnace and under excess pressure the melt is fed through a heated pipe 3 through a calibrating sleeve 6 with a diameter of 1-3.0 mm to the mold 7. The selected diameter of the metal jet provides a cooling rate of at least 10 ³ K / s. In the crystallized state, the wire 14 through the moving substrate 8 enters the stacker. In order to ensure the cylindrical shape of the wire, maintain stability and increase the length of the jet of liquid metal, crystallization is carried out in the vertical section of the metal flow.

Кристаллизатор выполнен так, что охлаждающая среда поступает через форсунки 12 в распыленном состоянии со всех сторон жидкой струи металла и по всей длине одновременно в направлении истечения жидкой струи металла. При этом, чтобы избежать удара жидкой струи металла об охлаждающую жидкость, капли охлаждающей жидкости должны иметь размеры, не превышающие 0,01-0,1 диаметра струи металла. В данном случае частицы охлаждающей жидкости вблизи поверхности жидкой струи металла испаряются, не касаясь ее поверхности. Как показали исследования, достаточно испарить 5 г воды для кристаллизации струи диаметром 3,0 мм при длине 1 м, чтобы прошла кристаллизация за 0,03 сек. С целью сохранения определенной длины кристаллизующейся струи металла и повышения интенсивности ее охлаждения сверху вниз угол конусности воронки 13 выбран в интервале 4-14°. Причем воронка установлена на кристаллизаторе таким образом, что она сужается в направлении движения струй охлаждающей среды.The mold is designed so that the cooling medium enters through the nozzles 12 in a sprayed state from all sides of the liquid metal stream and along the entire length simultaneously in the direction of the liquid metal stream. At the same time, in order to avoid the impact of a liquid stream of metal on the coolant, drops of the coolant should have dimensions not exceeding 0.01-0.1 of the diameter of the stream of metal. In this case, the particles of the coolant near the surface of the liquid metal jet evaporate without touching its surface. As studies have shown, it is enough to evaporate 5 g of water to crystallize a jet with a diameter of 3.0 mm at a length of 1 m, so that crystallization takes place in 0.03 seconds. In order to maintain a certain length of the crystallizing stream of metal and increase the intensity of its cooling from top to bottom, the cone angle of the funnel 13 is selected in the range of 4-14 °. Moreover, the funnel is mounted on the mold in such a way that it narrows in the direction of movement of the jets of the cooling medium.

Полученная проволока после кристаллизации имеет блестящую гладкую поверхность, обладает высокой пластичностью, что позволяет обрабатывать ее волочением в широком диапазоне размеров.The resulting wire after crystallization has a shiny smooth surface, has high ductility, which allows it to be processed by drawing in a wide range of sizes.

Проволока поступает на движущую ленту транспортера 8 и по нему отводится к укладчику (не показан).The wire enters the moving belt of the conveyor 8 and is discharged along it to the stacker (not shown).

Физико-механические свойства полученной проволоки приведены в таблице (по сравнения с данными гранульной технологии по ТУ 1-809-1038-96). В графе 5 таблицы левая вертикальная колонка показывает значения параметра отожженной проволоки, а правая вертикальная колонка - нагартованной.Physico-mechanical properties of the obtained wire are given in the table (by comparison with the data of the granular technology according to TU 1-809-1038-96). In column 5 of the table, the left vertical column shows the values of the annealed wire parameter, and the right vertical column shows the chartered wire.

Как видно, проволока, изготовленная по предлагаемой технологии по сравнению с гранульной, более качественна по показателям пластичности, прочности и удельному сопротивлению.As you can see, the wire manufactured by the proposed technology compared to the pellet wire is better in terms of ductility, strength and specific resistance.

ТаблицаTable Сравнительные данные физико-механических свойств, полученных по предлагаемому способу по сравнению с гранульной технологией по ТУ 1-809-1038-96.Comparative data on the physical and mechanical properties obtained by the proposed method in comparison with the granular technology according to TU 1-809-1038-96. № п/пNo. p / p Сравнительные технологииComparative technology Шероховатость поверхности проволоки, Rz (мкм)The surface roughness of the wire, Rz (μm) σ_в, после отжига σ _in , after annealing σ_в после
волоченияσ _in after
drawing σ_в ²⁵⁰ при 250°C σ _at ²⁵⁰ at 250 ° C Относительное удлинениеRelative extension Удельное сопротивлениеResistivity МПаMPa МПаMPa МПаMPa δ, %δ,% ρ, ом·мм²/мρ, ohm · mm ² / m 1one 22 33 4four 55 66 77 88 1.one. по гранульнойby granule 6060 157157 200200 120120 1212 55 0,0320,032 2.2. по предлагаемойaccording to the proposed 4040 166166 216216 120120 18eighteen 55 0,0310,031

Claims

1. A method of casting a wire from an alloy based on the aluminum-rare-earth metal system, including melting the metal, introducing alloying components into the melt, degassing the melt and releasing it through a pipe through a calibrating sleeve, subsequent crystallization of the melt jet using a cooling medium, wire removal by means of a moving substrate to the stacker, while melting and degassing the melt are carried out in a vacuum furnace at low vacuum, and crystallization is carried out in the mold by means of a cooling medium, which is fed to in the form of atomized particles at an acute angle in the direction of motion of the crystallized melt jet.

2. The method according to claim 1, characterized in that the diameter of the sprayed particles of the cooling medium is not more than 0.01-0.1 of the diameter of the jet of crystallized melt.

3. The method according to claim 1, characterized in that the atomized particles of the cooling medium are supplied to the melt stream at an angle of 2-7 ° in the direction of movement of the melt stream.

4. The method according to claim 1, characterized in that the melting and degassing of the melt is carried out at a pressure of 10 ^-2 ÷ 10 ^-3 mm RT.article

5. The method according to claim 1, characterized in that the crystallization of the melt is carried out on a vertical section of the expiration of the jet of melt.

6. Installation for casting wire from an alloy based on the aluminum - rare-earth metal system, containing a vacuum furnace with a crucible for melting and degassing the melt, a heated pipeline with a calibrating sleeve at its end, a substrate for supplying wire to the receiving device, and also a mold installed under a calibrating sleeve and made in the form of a hollow body with a nozzle for supplying a cooling medium and an axial hole for passage of a jet of crystallized metal, and a funnel having horses is docked to the lower part of the body in this case, the lower wall of the housing is conical in shape, with its top pointing upward, and nozzles are located at it at an angle in the vertical axis of the housing.

7. Installation according to claim 6, characterized in that the mold nozzles are located at an angle of 2-7 ° to the vertical axis of the housing.

8. Installation according to claim 6, characterized in that the cone angle of the funnel is 4-14 °.