Установка непрерывного литья и деформации для производства листов из сплавов алюминия и биметалла. Теория и расчет

 
 
 
 
 
 
 
О. С. Лехов, Д. Х. Билалов 
 
 
 
 
 
 
 
УСТАНОВКА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ  
И ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВ 
ИЗ СПЛАВОВ АЛЮМИНИЯ И БИМЕТАЛЛА 
 
ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
 
1 
 

 
 
УДК 621.74.047 
ББК 34.51 
Л53 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор кафедры металлургических 
и роторных машин УрФУ В. В. Каржавин; 
доктор технических наук, профессор кафедры обработки металлов 
давлением УрФУ Ю. Н. Логинов 
 
 
 
 
Лехов, О. С. 
Л53  
Установка непрерывного литья и деформации для производства листов из сплавов алюминия и биметалла. Теория и расчет : монография / 
О. С. Лехов, Д. Х. Билалов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 
132 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1172-1 
 
Изложены научные основы создания установок совмещенного процесса непрерывного литья и деформации (НЛД) для производства листов из сплавов алюминия и 
трехслойных биметаллических полос. Описана методика расчета напряженно-деформированного состояния металла в очагах деформации с использованием пакета ANSYS. 
Представлены результаты теоретического исследования напряженно-деформированного состояния металла в очагах деформации при формировании тонкого сляба из оболочки с жидкой фазой и его обжатии бойками установки. Установлены закономерности 
распределения напряжений в бойках установки от усилия обжатия при получении листов из сплавов алюминия. Приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния металла плакирующего слоя при получении трехслойного биметалла алюминий-сталь-алюминий.  
Для специалистов в области литейного производства. 
 
УДК  621.74.047 
ББК   34.51 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1172-1 
” Лехов О. С., Билалов Д. Х., 2023 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 
 

 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 6 
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР .............................................................................. 8 
1.1. Технология и оборудование процессов  непрерывного литья                        
и деформации для производства листов из сплавов алюминия .......................... 8 
1.2. Технология и оборудование для производства биметаллических полос 
.... 14 
1.3. Установка совмещенного процесса непрерывного литья и деформации 
для производства листов из сплавов алюминия 
.................................................. 22 
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА В ОЧАГАХ          
ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ЛИСТОВ ИЗ СПЛАВОВ          
АЛЮМИНИЯ НА УСТАНОВКЕ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ                        
И ДЕФОРМАЦИИ................................................................................................... 26 
2.1. Расчет напряженно-деформированного состояния металла в очагах       
деформации с использованием программного комплекса ANSYS .................. 26 
2.1.1. Теория решения контактных задач упругопластичности с учетом 
больших деформаций и перемещений 
.............................................................. 26 
2.1.2. Моделирование совмещенного процесса непрерывного литья               
и деформации с использованием программы ANSYS .................................... 29 
2.2. Исследование напряженно-деформированного состояния металла              
в очагах деформации при получении листов из сплавов алюминия                  
на установке совмещенного процесса непрерывного литья и деформации. 
Общая постановка задачи и исходные данные ................................................... 33 
2.3. Напряженно-деформированное состояние металла в боковых стенках 
оболочки с жидкой фазой при их гибке при получении листа из стали            
на установке непрерывного литья и деформации 
............................................... 34 
2.3.1. Модель для расчета и постановка задачи с граничными условиями .... 34 
2.3.2. Результаты расчета процесса гибки узких стенок оболочки                 
из алюминия ........................................................................................................ 37 
2.4. Напряженно-деформированное состояние металла в очаге деформации        
с учетом усилия вытягивания оболочки с жидкой фазой из кристаллизатора 
... 47 
2.4.1. Расчетная схема и граничные условия 
..................................................... 47 
2.4.2. Результаты расчета напряжений в очаге циклической деформации    
при получении листов из алюминия .................................................................. 52 
2.4.3. Результаты расчета течения металла ....................................................... 62 
3 
 

 
 
3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО          
СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА В ОЧАГАХ ДЕФОРМАЦИИ                            
ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ЛИСТОВ ИЗ ДЮРАЛЮМИНИЯ НА УСТАНОВКЕ 
СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ                       
И ДЕФОРМАЦИИ................................................................................................... 65 
3.1. Постановка задачи и исходные данные ........................................................ 65 
3.2. Напряженно-деформированное состояние металла в боковых стенках 
оболочки с жидкой фазой при их гибке при получении листа                           
из дюралюминия на установке непрерывного литья и деформации ................ 65 
3.2.1. Модель для расчета и граничные условия ............................................. 65 
3.2.2. Результаты расчета процесса гибки узких стенок оболочки                 
из дюралюминия ................................................................................................. 67 
3.3. Напряженно-деформированное состояние металла в очаге циклической 
деформации с учетом усилия вытягивания сляба из кристаллизатора             
при получении листов из дюралюминия ............................................................. 73 
3.4. Результаты расчета течения металла 
............................................................. 78 
4. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ БОЙКА БЕЗ КАНАЛОВ ОТ УСИЛИЯ 
ОБЖАТИЯ  ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ЛИСТОВ ИЗ ДЮРАЛЮМИНИЯ           
НА УСТАНОВКЕ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ ............. 80 
4.1. Постановка задачи,  исходные данные и граничные условия .................... 80 
4.2. Теория решения краевых задач теории упругости методом конечных   
элементов в объемной постановке ....................................................................... 87 
4.3. Результаты расчета и их анализ 
..................................................................... 88 
4.4. Основные параметры установки совмещенного процесса непрерывного 
литья и деформации для производства листов из сплавов алюминия 
............ 104 
5. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО          
СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ПЛАКИРУЮЩЕГО СЛОЯ ИЗ СПЛАВОВ 
АЛЮМИНИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ТРЕХСЛОЙНЫХ                               
БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ НА УСТАНОВКЕ                                 
НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ ............................................. 105 
5.1. Установка совмещенного процесса непрерывного литья деформации    
для получения трехслойных биметаллических полос 
...................................... 105 
5.2. Напряженно-деформированное состояние металла плакирующего        
слоя из сплавов алюминия при получении трехслойных биметаллических            
листов на установке непрерывного литья и деформации ................................ 108 
4 
 

 
 
5.3. Опытно-промышленная установка совмещенного процесса                     
непрерывного литья и деформации для производства полос из черных             
и цветных металлов 
.............................................................................................. 119 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 123 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................... 125 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 

 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
На современном этапе развития металлургического производства все большее распространение получают совмещенные процессы непрерывного литья и 
деформации, которые при производстве листовой металлопродукции позволя- 
ют существенно снизить энергоемкость технологических процессов, металлоемкость оборудования, капитальные и эксплуатационные затраты [1–8]. Валковые 
агрегаты бесслитковой прокатки, используемые в настоящее время на заводах 
цветной металлургии, имеют низкую производительность, не обеспечивают получение заданной структуры и качества поверхности листа, имеют недостаточную стойкость валков-кристаллизаторов [2, 8–10]. Одним из перспективных вариантов создания совмещенных процессов непрерывного литья и деформации 
является применение в составе литейно-прокатного комплекса принципиально 
новых машин непрерывного литья заготовок, позволяющих получить непрерывнолитые заготовки, близкие по форме и размерам к готовому прокату [1, 5, 6, 8]. 
Для дальнейшего развития цветной металлургии необходимо создание ресурсосберегающих технологических процессов и компактных установок совмещенных процессов непрерывного литья и деформации [2, 8, 11], что позволит 
снизить энергетические и капитальные затраты и повысить качество металлопродукции и, соответственно, снизить объем продаж слитков из цветных металлов и сплавов. 
Разработаны новый технологический процесс и установка совмещенного 
процесса непрерывного литья и деформации для производства листа из цветных металлов и сплавов и биметаллических полос, превосходящая по техникоэкономическим показателям лучшие зарубежные аналоги [1, 11–16, 17, 18–22]. 
Это позволит создать на заводах цветной металлургии энергосберегающие технологические процессы, осуществить глубокую переработку сырья и повысить 
качество листов из цветных металлов и сплавов. Отличительными особенностями установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации 
является то, что процессы образования оболочки с жидкой фазой, механическое 
перемешивание расплава металла, формирование полосы, циклическая деформация затвердевшего металла и калибровка листа происходят в сборном кристаллизаторе установки, что позволяет существенно снизить энергозатраты и 
улучшить качество листа. 
Предлагаемая технология совмещенного процесса непрерывного литья и 
деформации может быть эффективно использована для производства листов из 
сплавов алюминия толщиной 3–16 мм и шириной до 2200 мм.  
6 
 

 
 
Для оценки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации 
важно провести теоретическое исследование напряженно-деформированного 
состояния металла при формировании листовой заготовки из оболочки с жидкой фазой и деформации затвердевшего металла, что позволит оценить течение 
металла, особенно на границе с жидкой фазой, определить уровень и харак- 
тер распределения осевых и касательных напряжений в очагах циклической 
деформации, т. е. прогнозировать качество листовой металлопродукции. Также 
важно оценить напряженное состояние бойков установки от усилия обжатия, 
что позволит обоснованно  выбрать их конструктивное исполнение и материал. 
Таким образом, разработка и внедрение установок совмещенных процессов  непрерывного литья и циклической деформации на заводах цветной металлургии позволит существенно снизить расход топлива, электроэнергии и металлоемкость оборудования, повысить качество металлопродукции и улучшить 
экологическую обстановку. 
Разработка этого направления производства листовой металлопродукции 
из сплавов алюминия требует решения принципиально новых задач, включающих разработку алгоритмов расчета параметров установок и оценку напряженнодеформированного состояния металла и напряжений в бойках установки при получении листовых и биметаллических полос.  
 
 
 
7 
 

 
 
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 
 
1.1. Технология и оборудование процессов  непрерывного литья 
и деформации для производства листов из сплавов алюминия 
 
В настоящее время в мире ведутся работы по созданию установок непрерывного литья [2, 8–10]. Предполагаемые технологии непрерывного литья в 
теоретическом плане основаны на объединении процессов кристаллизации металла и формоизменения затвердевшего слитка. Например, возможно литье полосы на двухвалковой установке бесслитковой прокатки. Анализ сложных условий нарастания оболочки слитка при ее деформации на участке относительно 
небольшой протяженности при высокой скорости литья 5–6 м/мин показывает, 
что нарастание оболочки в кристаллизаторе переменного сечения сопровождается изменением ее формы, сводящимся к изгибу ее, сжатию или растяжению. 
Исследование поведения кристаллизующейся оболочки, находящейся под воздействием сжимающих и растягивающих усилий, а также ферростатического 
давления, показало, что на начальном этапе затвердевания возможно образование дефектов поверхности типа разрывов и складок. 
В работах [18, 19] отмечается, что повышение эффективности производства непрерывных заготовок достигается разработкой новых приемов воздействия на жидкий и кристаллизующийся металл. Предлагается конструкция 
установки непрерывного литья, где в кристаллизаторе происходит обжатие металла на наклонных гранях и его выталкивание на вертикальный калибровочный участок. В образующейся на выходе из кристаллизатора заготовке полностью отсутствует зона жидкого металла, за счет чего уменьшается технологическая длина установки. Непрерывное сжатие образующейся корочки увеличивает теплообмен металла с рабочими гранями и повышает эффективность тепловой работы кристаллизатора. Кристаллизатор установки представляет собой 
разборную водоохлаждаемую конструкцию. Он состоит из четырех расположенных попарно продольных стенок, при этом каждая из наклонных стенок 
первой пары выполнена с расширенным (верхним) и вертикальным  участками 
рабочей поверхности, закреплена на двух эксцентриковых параллельных горизонтальных валах с синхронным приводом их перемещения, а каждая из вертикальных стенок второй пары совершает смещенное к первой паре возвратнопоступательное движение. Формирование заготовки происходит за счет обжатия металла на наклонных стенках непрерывным его проталкиванием на вертикальный калибровочный участок. Однако в разъемном кристаллизаторе предлагаемой установки непрерывного литья при эксплуатации в промышленных 
8 
 

 
 
условиях в местах контакта четырех стенок разъемного кристаллизатора будут 
из-за износа контактных поверхностей увеличиваться зазоры, что приведет к 
затеканию жидкого металла в эти зазоры и образованию заусенцев. Это может 
привести к нарушению стабильности процесса вытягивания полосы из кристаллизатора и ухудшению качества непрерывнолитых заготовок. 
Также широко используются, особенно в цветной металлургии [8], агрегаты Super Caster фирмы Fata-Hunter, отличающиеся большим диаметром валков-кристаллизаторов, каждый из которых имеет индивидуальный привод от 
электродвигателя постоянного тока через планетарный редуктор. Технология  
бесслитковой прокатки требует значительно меньших капиталовложений и эксплуатационных расходов. Малая протяженность зоны интенсивного отвода тепла (дуги захвата) ограничивает допустимую скорость литья, которая не превышает 1–2 м/мин. На современных агрегатах клеть с двумя валками-кристаллизаторами преимущественно располагают наклоненной в сторону подачи жидкого металла под углом 15ƒ к вертикали. Такое расположение позволяет точнее 
регулировать давление в питателе, контролируя уровень металла в приемной 
коробке и обеспечивая его ламинарное течение. 
Бесслитковая прокатка тонкой (менее 1,5 мм) полосы со скоростью 23 м/мин 
обеспечивает качество, необходимое для получения тонкой фольги после обрезки 
кромок шириной 10–20 мм. Микроструктура, механические и физические свойства 
фольги, прокатанной из тонкой и толстой (6 мм) полос, идентичны. Для повышения производительности агрегатов бесслитковой прокатки ведутся работы по совершенствованию системы подачи металла, интенсификации теплоотвода, контролю температурного режима.  
Однако технология литья металла на установке с двумя валками-кристаллизаторами имеет ряд недостатков, поскольку еще не отработаны подвод и 
удержание металла (боковые стенки или бурты), получение качественной поверхности и структуры металла при минимальных обжатиях [1].  
Разработан высокоскоростной кастер (установка непрерывного литья с 
двумя валками-кристаллизаторами) для производства полосы толщиной 1–6 мм 
и шириной до 2200 мм из алюминиевых сплавов [8]. По сравнению со стандартным кастером суперкастер оснащен валками большего диаметра и имеет более 
высокую жесткость, что обеспечивает заданную точность профиля при различных сплавах и ширине ленты. Каждый валок приводится в действие отдельным 
двигателем постоянного тока мощностью 300 кВт через эпициклическую коробку передач. Скорость выхода ленты из кастера составляет 15–38 м/мин, производительность кастера – 2,5 т/ч на каждый метр ширины ленты. 
9 
 

 
 
Основой базового процесса литья является планарное керамическое сопло (разливочная насадка), через которое расплав металла подается между двумя разливочными валками, имеющими внутреннее водяное охлаждение. Первым значительным усовершенствованием явилась установка клети кастера на 
фундаменте с наклоном 15ƒ, что обеспечивает точное регулирование выходного давления насадки и контроль уровня расплава в передней сливной камере. 
Это стабилизирует работу кастера и обеспечивает плавное течение металла из 
насадок в валки. Расплав металла подается в кастер из плавильной печи емкостью 50 т. Для обрезки кромок ленты используется устройство, состоящее из 
двух независимых обрезающих головок с общим приводом постоянного тока. 
Для измерения толщины ленты применяется специальный рентгеновский датчик. Для поперечной резки ленты используются высокоскоростные ножницы 
механического типа с двигателем переменного тока и маховиком, которые обеспечивают 70 резов в минуту. Для обеспечения заданных допусков по толщи- 
не ленты применяется сложная система регулирования зазора между валками, 
аналогичная системе холоднопрокатного стана. 
Сравнение механических свойств фольги, полученной из тонкой литой 
ленты (< 1,5 мм), и фольги от традиционно выпускаемого проката (6 мм) показало, что они несущественно отличаются. Следует отметить, что тонкая литая 
лента (< 1,5 мм) имеет более мелкую структуру металла, чем литая лента толщиной 6 мм. 
Однако непрерывная полоса, получаемая на кастере, имеет литую структуру, что не позволит при последующей холодной прокатке получить лист и 
фольгу для глубокой вытяжки. Кроме того, тонкая лента имеет волнистые 
кромки, для чего необходима обрезка кромок с обеих сторон ленты шириной 
до 20 мм. 
Для повышения производительности агрегатов бесслитковой прокатки 
ведутся работы по совершенствованию систем подачи металла, интенсификации теплоотвода, контроля температурного режима, усилия прокатки и других 
параметров [9, 10]. Металл должен затвердевать до выхода из валков, а затем 
получать обжатие порядка 15 , приняв форму полосы, пригодной для последующей холодной прокатки.  
В работе [2] описан перспективный способ непрерывного литья фольговых заготовок, использующийся на агрегатах бесслитковой прокатки «Super 
Caster» (FATA) на фольгопрокатных предприятиях ОК «Русал» (заводы «Саянал», «Арменал»), а также на отечественных установках на заводе «Михайловская фольга». Основные преимущества непрерывного литья алюминиевых полос из расплава в валковые кристаллизаторы – исключение из технологической 
10