Современные электротехнологии для производства высококачественных алюминиевых сплавов

М.В. Первухин
В.Н. Тимофеев

Монография

Политехнический институт

СОВРЕМЕННЫЕ  
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ 
ДЛЯ  ПРОИЗВОДСТВА 
ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ  
АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ

Приведен анализ оборудования и технологий, применяющихся при производстве высококачественных 
алюминиевых сплавов, описаны факторы, которые 
позволяют управлять процессом формирования 
структуры и свойств слитка в процессе кристаллизации. Представлены результаты теоретических исследований физических процессов, протекающих 
в слитке, кристаллизующемся в электромагнитном 
поле, и способы управления ими с целью получения 
требуемых свойств слитков.

9 785763 831542

ISBN 978-5-7638-3154-2

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
М.В. Первухин, В.Н. Тимофеев 
 
 
 
 
СОВРЕМЕННЫЕ  ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ 
ДЛЯ  ПРОИЗВОДСТВА 
ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ  
АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 
СФУ 
2015 

УДК 669.715 
ББК 34.333.1 
П312 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. Новосибирского государственного  
технического университета 
А.И. Алиферов;  
д-р техн. наук, проф. Уральского федерального университета  
Ф.Н. Сарапулов 
 
 
 
 
 
 
 
Первухин, М.В. 
П312 
 
Современные электротехнологии для производства высококачественных алюминиевых сплавов: монография / М.В. Первухин, 
В.Н. Тимофеев. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2015. – 155 с. 
 
 
ISBN 978-5-7638-3154-2 
 
 
Приведен анализ оборудования и технологий, применяющихся при производстве высококачественных алюминиевых сплавов, описаны факторы, 
которые позволяют управлять процессом формирования структуры и 
свойств слитка в процессе кристаллизации. Представлены результаты теоретических исследований физических процессов, протекающих в слитке, кристаллизующемся в электромагнитном поле, и способы управления ими с целью получения требуемых свойств слитков. 
Предназначена для специалистов в области проектирования и разработки электротехнологического оборудования, решающих проблему получения 
сплавов с требуемыми характеристиками, для докторантов, аспирантов и 
студентов технических направлений подготовки. 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
 

УДК 669.715 
ББК 34.333.1 

 
 
 
ISBN 978-5-7638-3154-2 
© Сибирский федеральный университет, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие ......................................................................................................... 5 

1. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ  ОБОРУДОВАНИЕ  ДЛЯ  ПОЛУЧЕНИЯ  ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ   ЛИТОЙ  ПРОДУКЦИИ ............ 8 
1.1. Электротехнологическое оборудование  в составе плавильнолитейных  комплексов .................................................................................... 8 
1.1.1. Электрические печи для плавки и приготовления алюминиевых сплавов ..................................................................................... 10 
1.1.2. Электромагнитное перемешивание в процессе приготовления сплава ............................................................................................... 18 
1.1.3. Рафинирование алюминиевых сплавов ........................................ 20 
1.2. Электротехнологии и оборудование для получения высококачественной  литой продукции .................................................................. 23 
1.2.1. Проблемы получения высококачественной  литой продукции с заданными свойствами ............................................................. 23 
1.2.2. Влияние скорости охлаждения на свойства  литой заготовки  и технологии быстрой кристаллизации ...................................... 26 
1.2.3. Перемешивание кристаллизующегося расплава  и оборудование для его реализации ..................................................................... 35 
1.3. Непрерывное литье  в электромагнитный кристаллизатор ............... 45 

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ  МОДЕЛИРОВАНИЕ  ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ,  ТЕПЛОВЫХ  И  ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ  ПРОЦЕССОВ  КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ  В  МАГНИТНОМ  ПОЛЕ  
СЛИТКА ............................................................................................................. 51 
2.1. Физические процессы  в электромагнитном кристаллизаторе .......... 51 
2.2. Постановка задачи  математического моделирования ....................... 55 
2.2.1. Уравнения электромагнитного поля ............................................. 56 
2.2.2. Уравнения Навье – Стокса  и модели турбулентности ............... 57 
2.2.3. Уравнение энергии с учетом фазового перехода ......................... 63 
2.3. Построение математических моделей ................................................. 65 
2.3.1. Математическая модель  электромагнитных процессов   
в системе «индуктор – слиток» ................................................................ 65 
2.3.2. 
Математическое 
моделирование 
тепломассообмена  
кристаллизующегося  в электромагнитном поле слитка ...................... 68 

3. АНАЛИЗ  РЕЗУЛЬТАТОВ  МАТЕМАТИЧЕСКОГО   МОДЕЛИРОВАНИЯ .......................................................................................................... 74 
3.1. Расчет интегральных и дифференциальных  электромагнитных параметров  системы «индуктор – слиток» ........................................ 74 
3.1.1. 
Расчет 
энергетических 
характеристик 
системы  
«индуктор – слиток» ................................................................................. 77 

3.1.2. Расчет силовых характеристик  системы «индуктор – 
слиток» ....................................................................................................... 87 
3.2. Анализ магнитогидродинамических  и тепловых процессов   
в кристаллизующемся слитке .................................................................... 100 

4.  ИССЛЕДОВАНИЕ  МИКРОСТРУКТУРЫ  И  СВОЙСТВ  
ЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ   В  ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ  ПОЛЕ  
СЛИТКОВ ........................................................................................................ 114 
4.1. Экспериментальная литейная установка  с электромагнитным 
кристаллизатором ........................................................................................ 114 
4.2. Химический состав исследуемых сплавов и подготовка 
образцов к исследованию ........................................................................... 116 
4.3. Исследование сплава 01417М ............................................................. 119 
4.4. Исследование сплава AL-0,15Zr ......................................................... 137 
4.5. Исследование сплава АК12 ................................................................. 139 
4.6. Технологические параметры  процесса получения слитков   
из сплавов 01417М, AL-0,15Zr, АК12 ....................................................... 141 

Заключение ...................................................................................................... 145 

Список литературы ......................................................................................... 147 
 

Предисловие 

Непрерывный рост потребления алюминиевых полуфабрикатов, 
а также требований, предъявляемых к их качеству, обусловливает поиск новых, более совершенных и эффективных технологий, применяющихся на всех этапах производственного цикла – от приготовления алюминиевого сплава до его кристаллизации. Наиболее эффективными при этом являются технологии и оборудование, которые 
предусматривают производственное использование электрических и 
магнитных полей, электрического тока, электрических зарядов и других электрофизических факторов. Таковыми служат различные виды 
электротехнологий. Их применение позволяет повысить эффективность воздействия на сплавы и полуфабрикаты с целью получения целесообразно направленных изменений [1; 2]. 
Свойства алюминиевых полуфабрикатов во многом определяются условиями кристаллизации слитков. В соответствии с современными представлениями о кристаллизации металлов и сплавов сочетание высоких скоростей охлаждения и методов активного воздействия 
на кристаллизующийся расплав позволяет получать сплавы с требуемыми физико-механическими характеристиками [3–8]. 
Еще в конце 60-х гг. XX в. целый ряд исследователей в СССР, 
Великобритании, Франции и США пришли к выводу относительно 
целесообразности промышленного использования электромагнитного 
перемешивания. С тех пор на протяжении многих лет российскими и 
зарубежными учеными ведутся работы по изучению воздействия 
электромагнитных полей на процесс кристаллизации и свойства литых алюминиевых полуфабрикатов и созданию электротехнологического оборудования по реализации этого воздействия [9–15]. Наиболее широко известны работы в этой области ученых Sh. Asai, В.И. 
Дубоделова, А.Ф. Колесниченко, И.Л. Повха, А.Б. Капуста и др. [9–
25]. Результатом их деятельности стало широкое распространение 
электротехнологических установок металлургического назначения 
для получения высококачественных цветных и черных металлов и их 
сплавов с применением электромагнитного перемешивания. Многолетняя эксплуатация промышленных установок показала высокую 
эффективность такого способа воздействия на кристаллизующийся 
расплав: высокое качество поверхности слитка, дисперсность и равномерность его микроструктуры, повышенные физико-механические 
свойства. 

Еще одним фактором, который позволяет получать алюминиевые сплавы, обладающие значительным приростом специальных характеристик 
(повышенный 
уровень 
прочностных, 
усталостных 
свойств и коррозионной стойкости, низкий коэффициент термического линейного расширения, жаропрочность и др.), служит высокая 
скорость охлаждения [26–28]. Эффект, получаемый от высоких скоростей охлаждения, достаточно подробно представлен в работах 
В.И. Добаткина, В.И. Елагина, Б.И. Бондарева и др. [29–32]. Благодаря их исследованиям быстрая кристаллизация как основа получения 
сплавов с комплексом свойств, которые невозможно получить при 
использовании традиционных технологий литья, на сегодняшний 
день является не только предметом многочисленных исследований, 
но и находит все более широкое промышленное применение. Все существующие технологии быстрой кристаллизации сводятся к диспергированию расплава, его охлаждению в водной или газовой среде и 
получению гранул сплава размером от 0,05 до 5 мм [28; 29; 33]. К их 
общим недостаткам относятся низкая производительность, малый выход годного, нестабильность физико-механических свойств при дальнейшей пластической обработке сплава и др.  
Таким образом, в настоящее время актуальной остается задача 
повышения эффективности процесса получения алюминиевых сплавов, обладающих специальными свойствами, уменьшения количества 
технологических операций, увеличения производительности и выхода 
годного, уменьшения взрыво- и пожароопасности технологического 
процесса. В связи с этим представляет большой научный и практический интерес создание технологии и реализующего ее оборудования, 
позволяющих путем управления физическими процессами в кристаллизующемся слитке и обеспечения высоких скоростей его охлаждения получать сплавы с заданными физико-механическими свойствами. 
Анализ возможных путей решения поставленной задачи показывает, что наиболее перспективное направление – это применение 
электротехнологий, способных обеспечить комплексное воздействие 
на расплав в процессе его кристаллизации и создать условия, необходимые для получения сплавов с заданными физико-механическими 
свойствами. 
Авторы благодарят сотрудников центра коллективного пользования Сибирского федерального университета доцента кафедры материаловедения и технологий обработки материалов Г.М. Зеер, доцента 
Е.Г. Зеленкову и старшего научного сотрудника ИФ СОРАН 

С.М. Жаркова за помощь, оказанную при подготовке образцов и проведении исследований, доцентов кафедры электротехнологии и электротехники Н.В. Сергеева и М.Ю. Хацаюка за помощь, оказанную 
при проведении физического и численного моделирования. 

1. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ  
ОБОРУДОВАНИЕ  
ДЛЯ  ПОЛУЧЕНИЯ 
ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ   
ЛИТОЙ  ПРОДУКЦИИ 

1.1. Электротехнологическое оборудование  
в составе плавильно-литейных комплексов 

Электротехнологическое оборудование, входящее в состав плавильно-литейных комплексов, предусматривает производственное 
использование электрических и магнитных полей, электрического тока, электрических зарядов и импульсов и других электрофизических 
факторов в процессе получения высококачественных металлов и 
сплавов. Применение электротехнологического оборудования позволяет повысить эффективность воздействия на сплавы и полуфабрикаты для получения в них целесообразно направленных изменений, а 
также производить материалы, обладающие новыми свойствами: более высокими прочностью, термостойкостью, устойчивостью к агрессивному действию химических реакций и др. Так как электротехнологическое оборудование является сложным и дорогостоящим, его целесообразно применять в первую очередь там, где оно поможет повысить качество продукции, увеличить производительность труда и экономически себя оправдает [1; 2]. 
Производство алюминия и его сплавов в современных экономических условиях требует создания технологий и оборудования с экономичным режимом энергопотребления и ускоренным циклом получения готовой продукции. Особенно актуальна проблема энергосбережения в европейской части России и в Европе, хотя с ростом цен на 
электроэнергию вопрос повышения энергетической эффективности 
производственного процесса и в Сибирском регионе становится актуальным. Наличие в Сибири гидроэлектростанций на реках Енисей и 
Ангара и тепловых электростанций на базе Канско-Ачинского угольного бассейна способствует использованию электротехнологий на 
предприятиях алюминиевой промышленности [34]. 
Для приготовления алюминиевых сплавов и получения из них 
слитков обычно используются плавильно-литейные комплексы 

(ПЛК), в состав которых входит оборудование, представленное на 
рис. 1.1: 1 – миксер-копильник; 2 – МГД-перемешиватель; 3 – устройство перелива сплава; 4 – раздаточный миксер; 5 – установка рафинирования; 6 – фильтр; 7 – литейная машина. 

 
Рис. 1.1. Плавильно-литейный агрегат для получения слитков  
из алюминиевых сплавов 

Опишем технологический процесс получения слитков из алюминиевых сплавов. В миксере осуществляется приготовление расплава. Для интенсификации тепловых и химических процессов в расплаве может применяться механическое, газодинамическое и электромагнитное перемешивание. Использование МГД-перемешивателя позволяет автоматизировать процесс перемешивания сплава. С помощью устройства перелива сплав перекачивается из миксеракопильника в раздаточный миксер. После окончательной доводки 

сплава в раздаточном миксере по температурному режиму последний 
через установку рафинирования и фильтр поступает в литейную машину, где происходит кристаллизация слитков. 
Получение высококачественного алюминия и алюминиевых 
сплавов со специальными свойствами требует постоянного совершенствования оборудования, входящего в состав ПЛК, с целью его более 
глубокого и комплексного воздействия на расплав направленного на 
получение заданных характеристик сплава. Особая роль при этом 
уделяется внедрению электротехнологий на всех этапах процесса получения алюминия и его сплавов. 

1.1.1. Электрические печи для плавки  
и приготовления алюминиевых сплавов 
Плавку и приготовление алюминиевых сплавов проводят в электрических печах следующих типов [35–38]: 
• отражательных печах сопротивления; 
• индукционных канальных печах; 
• индукционных тигельных печах. 
Индукционные канальные и тигельные печи обладают большой 
производительностью по расплавлению и перегреву металла. Наиболее распространены такие печи для получения высококачественных 
сплавов, а также при производстве сплавов со специальными свойствами, когда не требуется больших объемов производства. 
Особенность индукционных канальных и тигельных печей – естественная циркуляция металла в каналах и ванне, вызванная неравномерным распределением электродинамических сил. Циркуляция 
металла оказывает положительное воздействие на процесс приготовления сплава, заключающееся в ускорении выравнивания температуры в объеме печи, снижении локального перегрева металла, выравнивании химического состава сплава и т.д. Однако для осуществления 
ряда технологических операций, а также с целью повышения надежности и эксплуатационных характеристик печей, возникает необходимость управления характером и интенсивностью циркуляции металла в печи. 
Эскиз индукционной канальной печи представлен на рис. 1.2, а. 
Она состоит из огнеупорной ванны (1), футеровки (2) и индукционной 
единицы, в состав которой входит канал (3), соединенный с ванной 
печи, магнитопровод (4) и индуктор (5). 
Основным элементом, определяющим технико-экономические и 
эксплуатационные характеристики индукционной канальной печи, 

является индукционная единица. Конструкция индукционной единицы определяется выплавляемым в печи металлом. На рис. 1.2, б, представлен эскиз индукционной единицы для плавки алюминия, состоящей из магнитопровода (1), индуктора (2), продольных каналов (3), 
соединенных с ванной печи (4), и поперечного канала (5). 
Для повышения эксплуатационных характеристик индукционной канальной печи индукционные единицы могут оснащаться устройствами для создания вращательного движения металла [39; 40]. 
Вращательное движение металла в каналах обеспечивает ряд положительных эффектов: 
– коагуляцию, в результате которой неметаллические включения 
скатываются в газоокисные конгломераты шарообразной формы и 
легко удаляются из расплава;  
– разность скоростей вращения жидкого металла в продольных 
каналах, приводящую к возникновению поступательного движения металла, что улучшает тепломассообмен между каналами и ванной печи;  
– снижение скорости зарастания продольных каналов окислами 
алюминия [41]. 
На сегодняшний день разработаны электромагнитные вращатели, работающие как на принципе электромагнитного экранирования, 
так и питающиеся от сторонних источников энергии. 
В устройствах, использующих принцип электромагнитного экранирования (рис. 1.3, а), вращающий момент в продольных каналах 
индукционной единицы получается за счет взаимодействия магнитного потока 
э
Φот вихревых токов 
вI, индуцированных в металлическом 
экране (1), с магнитным полем рассеяния 
σ
Φиндуктора (2) при частичном экранировании поверхности каналов от магнитного потока 
рассеяния катушки индуктора. На рис. 1.3, а показана индукционная 
единица, где в качестве электромагнитного экрана использован металлический каркас (3) продольных каналов. Для этого в металлокаркасе выполняются разрезы (4) поперек линий вихревых токов таким 
образом, чтобы неразрезанная часть каркаса обеспечивала требуемую 
конфигурацию путей замыкания вихревых токов. Недостатком данного устройства является пониженная механическая прочность каркасов, а также невозможность регулирования скорости и направления 
вращения металла. 
Электромагнитные вращатели, реализованные на принципе 
электромагнитного экранирования, позволяют получить скорость 
вращения металла до 30 об/мин.