Фильера графитовая

Графитовая фильера (графитовый кристаллизатор) — формообразующий элемент установок непрерывного и полунепрерывного литья, через который расплавленный металл проходит и затвердевает, приобретая заданное поперечное сечение. В промышленной практике термины «фильера» и «кристаллизатор» применительно к графитовому формообразующему элементу часто используются как синонимы.

Фильеры применяются для получения полуфабрикатов различных профилей: прутков, труб, проволоки, полос, лент, шестигранников и заготовок специального сечения. Процесс основан на непрерывном вытягивании затвердевающей заготовки из водоохлаждаемого графитового кристаллизатора в вертикальном или горизонтальном направлении.

Принцип работы графитовой фильеры в установках непрерывного литья

Непрерывное литьё представляет собой металлургический процесс контролируемого перехода металла из жидкой фазы в твёрдую. Расплав из печи или промежуточного ковша поступает в графитовую фильеру, установленную в водоохлаждаемую металлическую рубашку (обычно медную). Тепло от расплава отводится через стенки графита к охлаждающей жидкости, металл кристаллизуется и формирует заготовку заданного профиля. Затвердевшая заготовка непрерывно вытягивается из кристаллизатора с постоянной скоростью.

Метод непрерывного литья в графитовый кристаллизатор позволяет получать полуфабрикаты разнообразных поперечных сечений: круглые и плоские прутки, толстостенные трубы, многогранные профили, полосы и ленты. В зависимости от направления вытягивания заготовки различают установки вертикального и горизонтального непрерывного литья.

Вертикальное и горизонтальное непрерывное литьё

При вертикальном литье расплав подаётся в кристаллизатор сверху, а затвердевшая заготовка вытягивается вниз. Этот метод применяется для литья крупных сечений и обеспечивает симметричные условия кристаллизации по всему периметру заготовки.

При горизонтальном литье кристаллизатор расположен горизонтально, заготовка вытягивается в сторону. Такая компоновка компактнее и позволяет непрерывно разливать металл из стационарной плавильной печи. Однако горизонтальное расположение вносит особенности в процесс кристаллизации: в верхней части канала начало затвердевания несколько запаздывает по сравнению с нижней из-за термоконвективных потоков в расплаве.

Свойства графита, определяющие работоспособность фильер

Искусственный конструкционный графит обладает комплексом физико-химических свойств, которые делают его основным материалом для кристаллизаторов непрерывного литья цветных металлов и сплавов.

Высокая теплопроводность

Теплопроводность конструкционного графита составляет от 100 до 150 Вт/(м·К) в зависимости от марки и температуры. Этот показатель обеспечивает быстрый отвод тепла от расплава через стенки фильеры к водоохлаждаемой рубашке, что определяет скорость кристаллизации и, соответственно, производительность литья. При повышении температуры теплопроводность графита снижается.

Низкая смачиваемость расплавами

Графит не смачивается большинством жидких цветных металлов благодаря химической инертности и малой пористости. Это свойство обеспечивает лёгкое отделение затвердевшей заготовки от стенок кристаллизатора, предотвращает прилипание и позволяет получать качественную поверхность отливки без дополнительных антипригарных покрытий.

Самосмазывающие свойства

Графит обладает естественными антифрикционными свойствами благодаря слоистой кристаллической структуре. Это снижает трение между движущейся заготовкой и стенками кристаллизатора, уменьшает усилие вытягивания и защищает поверхность отливки от механических повреждений.

Термостойкость и стойкость к термоударам

Конструкционный графит работоспособен при температурах до 2000 °C в вакууме и до 2500 °C в защитной (инертной) атмосфере. Графит сублимирует при атмосферном давлении около 3650 °C. При этом важно учитывать, что на воздухе заметное окисление графита начинается при температуре около 450–500 °C. В процессе непрерывного литья водоохлаждаемая рубашка удерживает температуру графитовой фильеры в допустимых пределах.

Рост прочности при нагреве

В отличие от большинства конструкционных материалов, прочность графита при повышении температуры возрастает. Максимум прочности достигается в диапазоне 2200–2500 °C. Это обеспечивает надёжную работу фильеры в контакте с горячим расплавом.

Химическая инертность

Графит не растворяется в органических и большинстве неорганических растворителей, устойчив к воздействию многих кислот, щелочных растворов и расплавленных солей. Однако примеси железа, никеля и серы в расплаве цветных металлов могут вызвать прилипание заготовки к стенкам кристаллизатора, поэтому при подборе марки графита учитывают состав разливаемого сплава.

Типы конструкционного графита для фильер и кристаллизаторов

Для фильер и кристаллизаторов непрерывного литья используют исключительно искусственный конструкционный графит. Его получают из нефтяного или пекового кокса с каменноугольным пеком в качестве связующего. После формования заготовки проходят обжиг и высокотемпературную графитизацию при 2500–3000 °C.

По способу формования различают три основных типа графита, применяемого в кристаллизаторах:

Мелкозернистый прессованный графит

Графиты серии МПГ (мелкозернистый плотный графит) — наиболее распространённый отечественный материал для фильер непрерывного литья цветных металлов. Плотность от 1,65 до 1,85 г/см³, предел прочности при сжатии не менее 73–90 МПа в зависимости от марки. Мелкозернистая однородная структура позволяет обрабатывать рабочие поверхности до высокой чистоты. Графит марок МПГ применяется для литья меди, бронзы, латуни, алюминия и других цветных металлов.

Графит изостатического прессования

Изостатический графит формуется под давлением, равномерным по всем направлениям. Благодаря этому материал обладает изотропными свойствами — его характеристики одинаковы во всех направлениях. Изостатический графит отличается более высокой плотностью, меньшей пористостью и повышенной прочностью по сравнению с графитом одноосного прессования. Он используется при литье сплавов, требующих особо гладкой поверхности заготовки и высокого ресурса кристаллизатора.

Экструзионный (экструдированный) графит

Экструзионный графит получают методом продавливания массы через формообразующую матрицу. Этот материал имеет анизотропные свойства (характеристики различаются вдоль и поперёк оси экструзии). Экструзионный графит используется преимущественно в кристаллизаторах для полунепрерывного литья чугуна и стали, где требуются заготовки большого сечения.

Формы поставки графитовых фильер

Графитовые фильеры поставляются в различных конфигурациях, определяемых типом литейной установки и профилем получаемой заготовки:

Фильеры выпускаются как для одноручьевых, так и для многоручьевых кристаллизаторов, позволяющих одновременно отливать несколько заготовок. Наружная форма фильеры (цилиндр, конус, ступенчатый профиль) зависит от конструкции водоохлаждаемой рубашки конкретного литейного оборудования.

Подбор марки графита в зависимости от разливаемого сплава

Выбор марки графита для кристаллизатора определяется составом разливаемого сплава, скоростью вытяжки, типом установки и требуемым ресурсом. Общие закономерности:

Для литья меди и медных сплавов (бронзы, латуни, медно-никелевых сплавов) используют мелкозернистый графит с плотностью не ниже 1,70–1,85 г/см³ и минимальной пористостью. Низкая пористость критически важна, так как примеси в расплаве медных сплавов могут проникать в поры графита и вызывать прилипание заготовки.

Для литья алюминия и алюминиевых сплавов допускается использование графита с несколько меньшей плотностью, так как алюминий не образует карбидов с углеродом при обычных температурах литья и менее агрессивен к графиту.

Для полунепрерывного литья чугуна и стали применяют экструзионный плотный графит с повышенной стойкостью к окислению и эрозии, так как температура расплава значительно выше, а химическое взаимодействие с углеродом более интенсивное.

Конструкция кристаллизатора с графитовой фильерой

Типовая конструкция кристаллизатора для горизонтального непрерывного литья включает следующие элементы: графитовую втулку (фильеру), медную водоохлаждаемую гильзу (рубашку), стальной корпус с патрубками подвода и отвода охлаждающей воды. Графитовая фильера устанавливается внутри медной гильзы с плотной посадкой, обеспечивающей максимальный теплоотвод.

В процессе эксплуатации медная рубашка постепенно деформируется под действием термоциклических нагрузок. Поэтому при установке нового графитового кристаллизатора рекомендуется выполнять окончательную притирку его наружной поверхности к внутренней поверхности рубашки — это обеспечивает максимальный тепловой контакт.

Правила эксплуатации и хранения графитовых фильер

Соблюдение правил эксплуатации существенно влияет на ресурс графитовой фильеры и качество получаемых заготовок.

Хранение

Графит гигроскопичен — он поглощает влагу и газы из воздуха. Фильеры следует хранить в сухом помещении в заводской упаковке. Перед установкой в оборудование графитовый кристаллизатор необходимо просушить в электрической печи при 150–200 °C в течение 8–24 часов.

Предварительный нагрев

После установки фильеру следует предварительно нагреть, но не допускать нагрева выше 400 °C на воздухе во избежание окисления графита. При использовании газовых горелок рабочую поверхность фильеры необходимо защищать заглушками от прямого воздействия пламени. Предварительный прогрев снижает термическое разрушение графита при первом контакте с расплавом.

Обращение

При работе с графитовыми фильерами не следует касаться рабочих поверхностей голыми руками — человеческий пот содержит соединения натрия и калия, которые катализируют окисление графита. Крепёжные болты, соединяющие кристаллизатор с охлаждающей рубашкой, затягиваются тарированным ключом до одинакового контролируемого момента.

Факторы, влияющие на ресурс графитовой фильеры

Срок службы графитового кристаллизатора зависит от нескольких факторов:

Состав разливаемого сплава. Присутствие примесей железа, никеля и серы в расплаве усиливает взаимодействие с графитом, что приводит к ускоренному износу и прилипанию заготовки.

Скорость вытягивания. Повышенная скорость вытяжки увеличивает абразивный износ рабочей поверхности канала.

Температурный режим. Перегрев расплава или недостаточное охлаждение повышают вероятность окисления и эрозии графита.

Качество графита. Марки с более высокой плотностью и меньшей пористостью обеспечивают больший ресурс. Изостатический графит, как правило, служит дольше мелкозернистого прессованного.

Условия монтажа. Неплотная посадка фильеры в охлаждающую рубашку создаёт зоны перегрева и ускоряет разрушение. Правильная притирка — необходимое условие длительной работы.

Графитовые фильеры и тигли графитовые: общее и различия

Графитовые фильеры (кристаллизаторы) и графитовые тигли — два наиболее распространённых типа изделий из конструкционного графита для металлургии. Оба типа изделий работают в контакте с расплавленными металлами и используют ключевые свойства графита: теплопроводность, химическую инертность и низкую смачиваемость.

Принципиальное различие — в назначении: тигель служит ёмкостью для плавления металла и работает преимущественно в статическом тепловом режиме, тогда как фильера формирует движущуюся заготовку в условиях непрерывного теплоотвода. Это определяет различия в требованиях к материалу: для фильер критична низкая пористость и высокая однородность структуры, для тиглей — стойкость к многократным циклам нагрева и охлаждения.

Применение графитовых кристаллизаторов по отраслям

Графитовые фильеры и кристаллизаторы используются в непрерывном литье заготовок из широкого спектра металлов и сплавов:

Кабельная промышленность — литьё медных и алюминиевых прутков и заготовок для последующего волочения в проволоку.

Производство полуфабрикатов из медных сплавов — непрерывное литьё прутков, труб и полос из бронзы, латуни, медно-никелевых сплавов для арматуростроения, приборостроения и электротехники.

Алюминиевая промышленность — полунепрерывное литьё слитков и цилиндрических заготовок для прессования и прокатки.

Ювелирное производство — непрерывное литьё профилей из драгоценных металлов и их сплавов на специализированном оборудовании с использованием малогабаритных графитовых кристаллизаторов.

Чёрная металлургия — полунепрерывное литьё заготовок из чугуна и стали с применением экструзионного графита.