Изложницы из графита

Графитовые изложницы — основная формообразующая оснастка в литье цветных металлов и сплавов. Они применяются в установках горизонтального непрерывного литья (HCC), вертикального непрерывного литья (VCC/VSC) и полунепрерывного литья, а также при ручной разливке в стационарные формы. Качество и ресурс изложницы напрямую определяют стабильность вытяжки заготовки, чистоту поверхности слитка, производительность установки и выход годного металла.

Условия работы и требования к материалу изложницы

Графитовая изложница работает в условиях циклического термического нагружения. При непрерывном литье она находится в постоянном контакте с расплавом при температурах от 700 °C (алюминий) до 1150 °C (медь) и выше; при ручной разливке — в режиме нагрев/охлаждение при каждой заливке. Дополнительная нагрузка при непрерывном литье — постоянное механическое трение движущейся заготовки о рабочую поверхность канала.

Ключевые требования к материалу изложницы:

Параметр	Назначение
Высокая теплопроводность	Равномерный и интенсивный отвод тепла от расплава; формирование однородной корочки затвердевшего металла
Низкий коэффициент термического расширения (КТР)	Стабильность геометрии канала при циклических перепадах температуры
Механическая прочность	Устойчивость к нагрузкам вытяжки, давлению расплава и термическим напряжениям
Мелкозернистая структура	Определяет чистоту поверхности слитка и минимальную шероховатость канала
Низкая зольность	Минимизирует загрязнение расплава примесями из материала формы
Низкая открытая пористость	Исключает проникновение расплава в поры; улучшает качество поверхности отливки
Хорошая обрабатываемость	Возможность точного изготовления каналов сложного профиля с жёсткими допусками

Дополнительное преимущество графита — несмачиваемость большинством расплавов цветных металлов в рабочих условиях. Благодаря химической инертности и слоистой кристаллической структуре графит обеспечивает свободное скольжение заготовки без нанесения разделительных покрытий.

Изостатический графит для изложниц и кристаллизаторов

Искусственный графит производится тремя основными методами формования: экструзией, вибропрессованием и изостатическим прессованием. Для литейных изложниц и кристаллизаторов непрерывного литья предпочтителен изостатический графит.

При изостатическом прессовании жидкий рабочий агент передаёт давление на заготовку равномерно со всех сторон. Это исключает преимущественную ориентацию частиц наполнителя и обеспечивает одинаковые физико-механические свойства материала по всем направлениям — изотропию. У экструдированного графита свойства вдоль и поперёк оси экструзии различаются на 15–30 % в зависимости от марки и рассматриваемого свойства: такой кристаллизатор деформируется неодинаково в разных направлениях, что нарушает геометрию канала.

Размер зерна мелкозернистых марок изостатического графита — от 1 до 20 мкм. Это на один-два порядка меньше, чем у конструкционных экструдированных марок, где размер зерна составляет от нескольких сотен микрометров до 1–2 мм. Мелкозернистая структура определяет гладкость рабочей поверхности кристаллизатора и чистоту поверхности слитка.

Плотность мелкозернистого изостатического графита для изложниц составляет 1,75–1,90 г/см³, что соответствует низкой открытой пористости и высоким механическим характеристикам.

Типичные физико-механические характеристики изостатического графита для изложниц

Параметр	Диапазон значений
Кажущаяся плотность	1,75–1,90 г/см³
Размер зерна	1–20 мкм
Предел прочности при изгибе	40–80 МПа
Предел прочности при сжатии	80–170 МПа
Теплопроводность (при 20 °C)	80–140 Вт/(м·К)
КТР (20–200 °C)	(3,5–6,0)×10⁻⁶ К⁻¹
Открытая пористость	10–15 %

Диапазоны указаны для класса мелкозернистого изостатического графита, применяемого в изложницах для цветного литья. Конкретные значения существенно различаются между марками: более плотные и мелкозернистые марки обеспечивают меньшую пористость и более высокую прочность, но, как правило, несколько меньшую теплопроводность. Выбор марки определяется балансом этих характеристик под конкретный процесс.

Подбор графита под металл и сплав

Разные сплавы предъявляют разные требования к материалу изложницы. При подборе марки учитывают температуру разливки, химическую активность расплава, требования к качеству поверхности заготовки и планируемый ресурс оснастки.

Медь, латунь, бронза

Медные сплавы — наиболее распространённая область применения графитовых кристаллизаторов непрерывного литья. Температура разливки чистой меди составляет 1100–1150 °C; медных сплавов — в зависимости от состава — до 1200 °C и выше. Это требует от графита высокой теплопроводности (не менее 100 Вт/(м·К)) для интенсивного теплоотвода и формирования равномерной корочки затвердевшего металла. Не менее важен низкий КТР: при больших перепадах температуры геометрия канала должна оставаться стабильной. Медный расплав в рабочих условиях литья не смачивает графит, что обеспечивает свободное скольжение заготовки без разделительных смазок и высокое качество поверхности слитка.

Алюминий и алюминиевые сплавы

Температура разливки алюминиевых сплавов составляет 700–780 °C — значительно ниже, чем у меди. Тем не менее алюминиевые расплавы склонны к насыщению водородом и образованию оксидных плён, что предъявляет особые требования к состоянию рабочей поверхности и её химической чистоте. Для алюминия критична устойчивость графита к резкому термическому нагружению (термоудар при заливке), а также высокая прочность при изгибе — для противостояния усилиям вытяжки и нагрузкам от давления расплава.

Драгоценные металлы (золото, серебро, платина)

При литье драгоценных металлов к графиту предъявляются повышенные требования по химической чистоте. Зольные примеси в материале изложницы — оксиды кремния, железа, алюминия — способны перейти в расплав и снизить пробу металла. Применяют высокочистые мелкозернистые марки изостатического графита с зольностью менее 100 ppm; для наиболее ответственных применений — менее 20 ppm после высокотемпературной очистки. Рабочая поверхность канала должна иметь минимальную шероховатость, что обеспечивается как мелким зерном графита, так и тонкой финишной обработкой.

Высокотемпературные сплавы на основе никеля и кобальта

Температура разливки сплавов на никелевой и кобальтовой основе — как правило, выше 1400 °C. При таких температурах химически активный расплав интенсивно взаимодействует с материалом изложницы, усиливая эрозию рабочей поверхности. Графит должен иметь максимально мелкое зерно и минимальную пористость. В ряде случаев применяют пропитку графита или нанесение защитных барьерных покрытий — для снижения скорости окисления и эрозионного износа при высоких температурах.

Эксплуатация графитовых изложниц

Подготовка к первому пуску

Графит поглощает влагу из атмосферы при хранении. Перед установкой в литейную машину изложницу (кристаллизатор) необходимо просушить в электрической печи при температуре 150–200 °C в течение 8–24 часов. Прогрев к рабочей температуре выполняют постепенно, без резких скачков. При установке в водоохлаждаемую рубашку проверяют плотность прилегания графитового вкладыша к поверхности охладителя: воздушные зазоры ухудшают теплоотвод и вызывают локальные перегревы материала.

Защита от окисления

Заметное окисление графита на воздухе начинается при 450–500 °C и резко ускоряется с ростом температуры: при 700 °C материал деградирует уже в течение нескольких часов непрерывной работы на открытом воздухе. Для увеличения ресурса изложницы при работе в этом диапазоне применяют защитную атмосферу — азот или аргон — либо антиокислительные покрытия. В инертной среде или вакууме графит сохраняет свои свойства вплоть до температуры сублимации (около 3650 °C при атмосферном давлении).

Контроль в процессе эксплуатации

В ходе работы периодически контролируют геометрию рабочего канала: овальность, конусность, шероховатость, наличие эрозионного износа. Отслеживают температуру стенки кристаллизатора и усилие вытяжки заготовки — отклонение от нормативных значений указывает на износ или деформацию изложницы. Своевременная замена кристаллизатора предотвращает брак заготовки и повреждение тянущего механизма.

Ресурс изложницы определяется маркой графита, типом разливаемого сплава, интенсивностью охлаждения и качеством подготовки оснастки перед пуском.

Формы поставки графитовых изложниц

Изложницы и кристаллизаторы изготавливаются по чертежам заказчика из мелкозернистого изостатического графита. Типовые исполнения: цилиндрические вкладыши для кристаллизаторов непрерывного литья (круглые, прямоугольные, фасонные сечения), стационарные изложницы для ручной разливки, комплекты оснастки для установок горизонтального и вертикального литья. Возможно изготовление единичных и серийных партий.

При подборе марки графита под конкретный технологический процесс рекомендуется обращаться в технический отдел: специалисты помогут подобрать материал с учётом состава сплава, конструкции установки и требований к заготовке. Подробнее о свойствах изостатического материала — в разделе изотропный графит. Информация об изготовлении деталей по чертежам — на странице изготовление изделий из графита.