Металлурги СФУ предложили решение для экономичного литья алюминиевых слитков со скандием

Учёные Института цветных металлов СФУ создали эффективную модель процессов литья плоских слитков из экономнолегированного алюминиево-скандиевого сплава, который был ранее разработан в Сибирском федеральном университете по заказу компании РУСАЛ.

Используя разработанную методику моделирования кристаллизации слитков, российские производители алюминиевых полуфабрикатов для кораблестроения, космической отрасли и авиастроения могут существенно снизить затраты на производство. Благодаря оптимальным параметрам литья, которые можно подобрать с применением уточненной модели, слитки получаются более равномерными по структуре и составу. Изготовленные из них изделия отличаются прочностью и износостойкостью, менее подвержены разрушению, следовательно, количество производственного брака значительно снижается.

В составе участвовавших в эксперименте сплавов на основе алюминия содержится ценный редкоземельный элемент скандий, придающий изделиям особую прочность, износостойкость и долговечность. Затраты скандия в этом случае совсем невелики, однако оказываемый эффект позволяет применять такие сплавы в производстве деталей для автомобилей, судов, самолётов, в ракето- и спутникостроении и т. д.

«Уточнённая методика теплофизического моделирования кристаллизации плоских слитков из скандийсодержащих алюминиевых сплавов позволяет добиться максимально равномерной и однородной структуры слитков. При последующей обработке и производстве полуфабрикатов из таких слитков они должны быть качественными, максимально однородными внутри, без точек напряжения и деформации — эти материалы применимы в том числе для стратегически важных отраслей, где ошибки недопустимы. Из-за некачественных слитков полуфабрикаты из них не получаются и приходится всё переделывать, это провоцирует рост затрат на производство. Наша модель такие затраты минимизирует», — рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории физикохимии металлургических процессов и материалов СФУ Александр Безруких.

Эксперименты проводились на лабораторной установке непрерывного литья, представляющей собой мини-заводской цех в Институте цветных металлов СФУ. Учёные отливали слитки из алюминий-скандиевого сплава, замеряли нужные температурно-скоростные параметры и интерполировали их в математическую модель. Все корректировки, полученные в ходе реального эксперимента, вносились в математическую модель в программе ProCAST — так была получена оптимальная модель кристаллизации слитка.

«Разработанная методика может использоваться для получения достоверных результатов моделирования литья слитков из алюминиевых сплавов схожего состава, в том числе легированных другими редкоземельными элементами в комплексе со скандием. Полученная модель характеризуется высокой сходимостью результатов и низкой погрешностью. Её использование внесёт свой вклад в развитие металлургической промышленности и технологический суверенитет нашей страны», — отметил учёный.

Сложность при контроле качества крупнотоннажных плоских алюминиевых слитков состоит в том, что визуально качественные слитки могут не отличаться от бракованных слитков со скрытыми внутренними дефектами (такими, например, как внутренние трещины и микротрещины, скрытые в теле слитка). В таком случае слитки производителем квалифицируются как годные, а дефекты обнаруживаются уже при последующей их обработке в процессе прессования или прокатки.

«На металлургическом производстве, безусловно, контролируют качество слитков, но это делается на отдельных фрагментах — для исследования берутся поперечные образцы слитка (темплеты) толщиной не более 150 мм. Длина же плоских слитков может достигать в продольном направлении до 6–10 метров, при этом выявить возможные скрытые дефекты „сердцевины“ слитка не всегда возможно. Если заранее с помощью моделирования подобрать технологические параметры производства, весь слиток получится однородным, без неприятных „находок“ в сердцевине», — рассказал Александр Безруких.

В настоящее время проводятся испытания новой модели на алюминиевых сплавах с другими редкоземельными и переходными металлами.

Сибирские учёные предполагают, что их разработка найдёт применение на ведущих производственных площадках — заводах ОК РУСАЛ, Красноярском металлургическом заводе (КраМЗ), Каменск-Уральском металлургическом заводе (КУМЗ), Самарском металлургическом заводе (Арконик СМЗ) и др.

Исследование выполнено в рамках государственного задания на науку ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», проект FSRZ-2020-0011.