Wytypowano 2 kluczowe obszary badań w górnictwie, związane ze zmniejszeniem odporności rudy na deformację mechaniczną przed energochłonnym rozdrabnianiem i usprawnionym rozluzowaniem ziarna.

W ramach badań zajęło się obróbką mikrofalową o wysokiej gęstości mocy, jako technice redukcji odporności (podatności) rudy na deformację mechaniczną przed wzbogacaniem i jako sposób usprawnienia rozluzowania ziarna poprzez tworzenie termicznie wzbudzonych pęknięć wzdłuż granic ziarn, prowadzących do przełomu międzyziarnistego i śródkrystalicznego.

Skuteczność tego mechanizmu i podatność rudy na przełom wzbudzony mikrofalowo, wykazał zależność od dielektrycznych, cieplnych i mechanicznych własności minerałów. Pokazano, że fazy o wysokiej absorpcji mikrofalowej (np. nikiel, miedź, żelazo i ołów, siarczki i magnetyt) o wielkości ziarna D50 zbliżonej do 500 μm, ograniczonej przez twardą matrycę (np. kwarc, skaleń, piroksen i oliwin), dają największe redukcję odporności rudy na deformację mechaniczną.

Pomimo możliwości wzbudzonego przez mikrofale osłabienia granicy ziarn i przełomu ułatwiającego rozluzowanie ziarna, największa ilość publikowanej literatury na temat eksperymentalnych obróbek mikrofalowych, skupia się na zmniejszonej odporności rud, zawierających metale na deformację mechaniczną.

Jednak zdolność do wykorzystania przełomu wzbudzonego za pomocą mikrofal poprzez udoskonalenie odzysku przez flotację i klasy (materiału), oraz/lub zwiększenie pierwotnego stopnia rozdrobnienia w celu doprowadzenia do rozluzowania ziarna, ma znaczne potencjalne korzyści, jeżeli chodzi o wzrost wydajności instalacji i produkcji metalu oraz zmniejszenie zużycia energii właściwej, nawet przy znacznych redukcjach odporności rudy.

Badano zmianę w rozluzowaniu ziarna i osiągach flotacji na eksploatowanej przemysłowo, porfirowej rudzie miedzipochodzącej z Chile, przy nominalnym stopniu rozdrobnienia w instalacji i grubszym stopniu rozdrobnienia przy grubszym końcu normalnego zakresu flotacji, po obróbce mikrofalowej o wysokiej gęstości mocy. Objaśniono również zależność pomiędzy mineralogicznymi cechami teksturowymi, w celu zrozumienia wzajemnego oddziaływania obróbki mikrofalowej z rudą i jej wpływu na selektywne rozerwanie, prowadzące do ulepszonego rozluzowania ziarna i flotacji.

Rudy, które nie wykazują dużych redukcji w średniej odporności na deformację mechaniczną (< 10%), po obróbce mikrofalowej mogą jeszcze wykazywać znaczne zmiany w rozluzowaniu ziarna z powodu korzystnych, wartościowych charakterystyk mineralogicznych minerałów.

Dla porfirowej rudy miedzi badanej w tych próbach, wielkość ziarn grubych siarczku miedzi w powiązaniu z wysokim połączeniem z twardymi, przeźroczystymi dla mikrofal (np. kwarc) i twardymi, nagrzewanymi mikrofalowo (np. piryt) minerałami, prowadzi do wzrostu stopnia rozdrabniania 50–60 μm, dla równoważnego rozluzowania ziarna, lub przybliżonego 2,5% wzrostu w rozluzowaniu ziarna, przy równoważnym stopniu rozdrobnienia.

Laboratoryjne próby flotacji okresowej sugerują, że odzysk miedzi może wzrosnąć do ok. 1% przy nominalnych stopniach rozdrobnienia oraz, że wzrost stopnia rozdrobnienia o ok. 30 μm może potencjalnie dawać równoważny odzysk miedzi. Wzrosty stopnia rozdrobnienia, mogą pozwolić na bezpośrednią redukcję energii właściwej rozdrabniania, poprzez mielenie rudy w krótszym czasie. Jednak analizy statystyczne pokazały, że trudno zdobyć zaufanie do wzrostów odzysku o ok. 1% poprzez potrojenie prób flotacyjnych, nawet, gdy te same analizy mogą dać pewność, że krzywe klas odzysku są różne, pomiędzy próbami niepoddanymi i poddanymi obróbce mikrofalowej.

Podczas pirometalurgicznej rafinacji ołowiu powstają bogate w ołów zgary. Rafinerie generują 15 do 20% zgarów, a w zakładach produkujących wiele metali to nawet 30–40% masy ołowiu surowego. Wszystkie te zgary muszą być dalej przerabiane na produkty uboczne, zaś przemieszczanie ich jest pracochłonne i szkodliwe dla zdrowia (zapylenie).

Zalety wprowadzonych udoskonaleń w rafinerii są różnorodne:

ŠŠ- zmniejszone straty ołowiu w zgarach,

Š- zwiększona wydajność rafinerii lub huty z powodu zmniejszonej recyrkulacji,

ŠŠ- zmniejszone koszty przeróbki,

ŠŠ- produkcja stopów o wyższej czystości i wyższych osiągach,

- ŠŠmniejsza ilość materiału do ekspedycji lub manewrowania przy odzysku produktów ubocznych,

Š- wyższy dochód i wydajność pierwiastków ubocznych,

ŠŠ- zwiększona higiena i bezpieczeństwo pracy.

Według autorów istnieją 2 główne strategie, które mogą przyczynić się do przełomu w pirorafinacji ołowiu: poszukiwanie nowych układów chemicznych, albo nowych opcji udoskonalenia separacji fizycznej.

Istnieje wiele połączeń pierwiastków i składów, które nigdy nie były badane. Niestety wiele nieoczywistych układów wieloskładnikowych jest tak dużych, że badania nad nimi mogą prowadzić do ogromnej ilości bezużytecznych eksperymentów. Z tego powodu istnieje potrzeba wytypowania interesujących układów do dalszych badań eksperymentalnych. Oprogramowanie termodynamiczne nie jest dogodne do przeprowadzenia tego, ponieważ modele zależą całkowicie od danych eksperymentalnych.

Nawet, gdyby zostały odkryte nowe, stabilne fazy, separacja fizyczna jest trudna, dlatego zajęcie się tym wyzwaniem jest niezwykle ważne i może prowadzić do znacznych udoskonaleń (również przy istniejących strategiach chemicznych).

W celu uzyskania przełomu w separacji fizycznej, należy usunąć minimalne ilości ołowiu z ciekłych zgarów. Jedną z najbardziej interesujących strategii, może być skupienie się na samej infiltracji i wyeliminowaniu matrycy ołowiowej ze zgarów.

Idealny materiał do tego celu powinien być:

ŠŠ- obojętny względem cząstek zgarów,

ŠŠ- obojętny względem ciekłego ołowiu,

ŠŠ- stabilny na powietrzu,

ŠŠ- zwilżający cząstki zgarów (np. związki międzymetaliczne, siarczki),

ŠŠ- mechanicznie usuwający ołów,

ŠŠ- niskolotny,

ŠŠ- dający się oddzielić od zgarów (np. przez likwację, rozpuszczanie, spalanie),

ŠŠ- niskokosztowy.

Mogą tu być rozważane różne materiały, ale idealny materiał prawdopodobnie jest na razie nieznany (lub nie istnieje). Do udoskonalenia separacji fizycznej, niezbędny będzie szeroki proces wyboru materiałów. Istnieje jeszcze pewna ilość materiałów, które w tej metodzie są brane pod uwagę, ale potrzeba ich gruntownych badań.

Badania mające na celu przełom w rafinacji ołowiu, powinny obejmować nie tylko nowe związki chemiczne do wytrącenia zanieczyszczeń, ale także wyeliminowanie ołowiu z drobnoziarnistych osadów. Materiały obojętne, zwilżające powierzchnię np. sole, mogą dostarczyć sposobu obniżenia zawartości ołowiu w zgarach

Firma Upcast Oy (Finlandia) bada (R + D) i poszukuje rozwiązania w zakresie doskonalenia istniejących procesów produkcyjnych (ze szczególnym uwzględnieniem procesów końcowych). Firma pracuje nad udoskonaleniem procesu odlewania, w którym produkowane będą pręty odlewane, rury lub płaskie kształtowniki, odpowiadające potrzebom użytkowników. W 2015 r. uruchomiono 2 linię odlewniczą w instalacji pilotowej.

Obecnie poza tradycyjnymi prętami i rurami z miedzi, wytwarzane są tam różne stopy Cu do całkowicie nowych procesów odlewania do góry. Jednym z interesujących stopów jest miedź magnezowa (CuMg). Wydaje się ona atrakcyjna z wielu powodów: ma dobrą przewodność elektryczną, doskonałą odkształcalność przy średniej wytrzymałości, a przy prawidłowym składzie, może osiągać bardzo wysokie wytrzymałości. Wymienione cechy są najważniejsze, jeżeli chodzi o dalsze opracowanie produktów końcowych ze stopu CuMg, stosowanych w przemyśle samochodowym jako łączniki elektryczne i elektroniczne, przewody liniowe i łączeniowe, zespoły przewodów drutowych, wtyki, kable telekomunikacyjne, kable łańcuchowe i druty kontaktowe stosowane w pociągach szybkobieżnych.

Trwają prace nad przygotowaniem ciągłego procesu odlewania prętów z wysokiej jakości stopu CuMg0,5 gotowego do przeróbki. Już jesienią 2015 r. firma rozpoczęła próby odlewania do góry stopu CuMg0,5. Dopasowano urządzenia, oprogramowanie i inne parametry opowiadające potrzebom nowego surowca, dzięki czemu pod koniec roku udało się otrzymać pełny zwój nowego stopu o akceptowalnych wartościach mechanicznych, prawidłowej jakości powierzchni i udoskonalonej strukturze. Obecnie w Upcast odlewane są zwoje prętów o dobrej jakości i różnych średnicach. Pręty CuMg0,5 są następnie przerabiane i rafinowane na rowkowane druty kontaktowe, stosowane w pociągach szybkobieżnych oraz na cienkie druty do innych zastosowań przemysłowych.

Jedną z dróg wzrostu wydajności surowców jest ich odzysk z odpadów o niskiej wartości. Jeżeli możliwe jest połączenie recyklingu odpadu z odzyskiem innych odpadów, może zachodzić synergia, pozwalająca na recykling odpadu, który nie mógł być odzyskany samodzielnie.

W firmie Wieland-Werke AG (Niemcy), ważnym producencie pół wykończonych produktów z miedzi i jej stopów, powstają duże ilości odpadów zawierających miedź, które mogą być odzyskiwane. Odpady metaliczne stosowane są w odlewni, a zużyte kwasy do trawienia są wewnętrznie przerabiane tak dalece, jak to możliwe. Pomimo tego, w odpadach nadal pozostają znaczne ilości miedzi. Z jednej strony „kwasy nadwyżkowe” i siarczan miedzi produkowane z obróbki zużytych kwasów do trawienia, nie mogą być poddane ponownej obróbce, a z drugiej strony, szlam po zobojętnianiu z zakładu obróbki ścieków.

Knittel GmbH jest średniej wielkości spółką usuwania ścieków, której klienci mają do dyspozycji odpady pochodzące ze związków aluminium-plastik. Jeżeli skład frakcji plastikowej jest jednorodny, powinien być możliwy recykling materiału po oddzieleniu aluminium.

Połączenie 2 (poddawanych zasadniczo oddzielnej przeróbce z różnych przemysłów) przepływów materiałów jest interesujące z ekologicznego i ekonomicznego punktu widzenia, ponieważ w tym projekcie, 2 zadania dotyczące odzysku są rozwiązywane równocześnie, dzięki czemu potrzebna jest tylko 1 instalacja do odzysku, co pozwala na odzysk materiałów poddawanych recyklingowi w bezpośrednio używalnej postaci (miedź, wodorotlenek glinu i plastik) z obydwu przepływów materiałowych.

Wdrożenie procesu na dużą skalę następuje po badaniach wstępnych i próbach laboratoryjnych, na podstawie których, przeprowadza się wstępną ekonomiczną analizę wykonalności. Zaprojektowano instalację pilotową działającą w skali technicznej, aby na podstawie jej działalności, zdobyć informacje o parametrach do projektowania i zapewnić podstawę dla szczegółowej analizy ekonomicznej.

Badano zawierające miedź materiały odpadowe z trawienia pół wykończonych produktów (wykorzystane kwasy do trawienia i materiały odpadowe z obróbki kwasowej) i szlam z obróbki ścieków z procesów downstreamowych. Pewne materiały wejściowe stosowano jedynie w próbach laboratoryjnych. Próby w centrum technicznym prowadzono z zastosowaniem kwasów do trawienia o niskiej zawartości azotanów lub raczej wolnych od azotanów i szlamu ze zobojętniania. Jako źródło aluminium wykorzystano odpad surowy, odpad drobnoziarnisty zawierający aluminium i wióry z frezowania.

Próby cementacji prowadzono z jednej strony jako próby laboratoryjne, które umożliwiły szeroką zmianę w warunkach reakcji (przy niskim koszcie i nakładzie pracy). Z drugiej strony, prowadzono je w skali technicznej, w której badano procesy praktyczne, takie jak: rozdzielanie produktów oraz bilans cieplny.

Badano odzysk miedzi z materiałów odpadowych zawierających miedź, poprzez cementację (za pomocą odpadu aluminiowego o niskiej jakości) w instalacji pilotowej zaprojektowanej i obliczonej w skali technicznej. Ustalono, że w chwili obecnej, działanie przemysłowej instalacji na dużą skalę nie jest możliwe, z powodu ryzyka braku materiałów odpadowych wykorzystywanych w procesie produkcyjnym oraz problemów związanych z ich wyceną.

Surowsze przepisy dotyczące ochrony środowiska naturalnego, wymuszają badania nad nowoczesnymi metodami oczyszczania, w celu zagwarantowania późniejszej zbywalności jednego z najważniejszych produktów ubocznych w przemyśle miedzi pierwotnej – żużla żelazowo-krzemianowego. Przed wdrożeniem jakiejkolwiek koncepcji piro- lub hydrometalurgicznej, materiał z pieca elektrycznego musi być zbadany i scharakteryzowany.

Żużel pochodzi z nawarstwianie się żelazokrzemianu oraz z dodatku topnika krzemianowego koncentratu rudy wejściowej. Materiał fajalitowy stanowi najważniejszy produkt uboczny w procesie wytapiania miedzi z maksimum poniżej 3 t/1 t czystej miedzi. Poprzez zastosowanie szczegółowej skaningowej mikroskopii elektronowej (ang. SEM), można wykryć pozostałą w żużlu miedź. Wyraźna większość cząstek przejawia zachowanie takie jak siarczki, dlatego bezpośrednia ich redukcja za pomocą węgla, stanowi trudne zadanie. W konsekwencji, możliwe podejście przedstawia metoda redukcji z zastosowaniem surówki. Żużel fajalitowy, który przedtem był przerabiany w piecu elektrycznym jest mielony, a następnie mieszany z ponad stechiometrycznym dodatkiem cząstek żelaza, dla zagwarantowania warunków redukcji na małą skalę. Elektryczny piec oporowy jest optymalnym urządzeniem dla przeprowadzenia kilku eksperymentów, mających na celu określenie ich najważniejszych parametrów. Ciężar, jak też stosunek żużla fajalitowego do czynnika redukującego, mogą być łatwo zmieniane, dlatego proces oferuje doskonałą zdolność adaptacji. Po przeprowadzeniu kilku prób o różnych czasach przeróbki, gorący żużel jest spuszczany, chłodzony i analizowany. Stopień redukcji cząstek miedzi z jednej strony i wielkość ziarna z drugiej, pokazują główny wynik, w jaki sposób wydłużony czas osadzania się żużla, prowadzi do większych ziarn związków chemicznych. W odniesieniu do czystości pozostałych cząstek miedzi, żużel żelazowo-krzemianowy może być następnie analizowany chemicznie, aby zbadać i ocenić jego zbywalność.

Różne próby redukcji żużla żelazowo-krzemianowego pokazały, że istnieje możliwość usunięcie pozostałej miedzi z matrycy żużlowej. Pomimo teoretycznie niemożliwej reakcji pomiędzy siarczkiem miedzi i żelazem zgodnie z liniami termodynamicznymi na Diagramie Richardson–Ellingham (przy wybranej temperaturze procesu 1200ºC), można było wykryć redukcję. Z jednej strony można to było wyjaśnić poprzez bliskość 2 linii i wpływów kinetyki na proces, natomiast z drugiej, możliwa reakcja w fazie stałej w niższej temperaturze, mogła również spowodować to działanie. Dlatego rozważania termodynamiczne powinny być zawsze brane pod uwagę w połączeniu z aspektami kinetycznymi, szczególnie w wysokich temperaturach.

Analizując dane otrzymane w badaniu SEM różnych próbek żużla, stwierdzono, że po przeróbce, można osiągnąć bardzo niską zawartość miedzi, która stanowi główny rezultat prób tak, że uzyskuje się wartości poniżej granicy wykrywalności mikroskopu. Czas przeróbki ma istotny wpływ na tę reakcję, jednakże wpływa także znacznie na inne parametry, takie jak: wielkość cząstek oraz zawartość siarki w pozostałych cząstkach miedzi. Ponieważ główny punkt instalacji eksperymentalnej dotyczy miedzi, składnik ten stanowi podstawowy element badań.

W odniesieniu do pozostałej w żużlu miedzi, stosując surówkę jako czynnik redukujący, tym samym gwarantujący dalsze możliwe zbywalności, można uzyskać żądany efekt oczyszczania. Jednakże z innego punktu widzenia, podwyższony poziom cynku w żużlu będzie musiał być rozpatrywany przed skalowaniem procesu. Niezbędne są dalsze eksperymenty, ponieważ dzięki nim mogą być zbadane różne środki redukujące albo mieszaniny. Poprzez prowadzenie większej liczby eksperymentów oraz przyjęcie za cel technologicznie
i ekonomicznie wykonalnej przeróbki żużla, będzie można znaleźć alternatywę dla drogiego koksu.

Miedź ulega stratom w żużlu pomiędzy 0,7 i 2,3% wag. Cu, na etapie przemysłowego wytapiania kamienia miedziowego. W większości procesów wytapiania kamienia miedziowego, straty miedzi w żużlu powstają ze strat mechanicznych, czyli utraty miedzi z powodu wysokiej lepkości żużla.

Celem opisanego badania była minimalizacja strat w fazie żużla, poprzez dodawanie następujących topników: CaO, B₂O₃, boran wapnia (mianowicie kolemanit – 2CaO·3B₂O₃,·5H₂O). Żużel z procesu wytapiania kamienia miedziowego zawierający 0,88% wag. Cu i kamień z dodatkami CaO, B₂O₃ i kolemanitu – każdy o zawartości do 10% wag. Cu, topiono w tyglu krzemionkowym umieszczonym w pionowym piecu rurowym, w temperaturze 1250ºC w atmosferze azotu przez 2 godz.

Wyniki eksperymentalne mieszanin kamień-żużel-topnik pokazały, że domieszka wszystkich dodatków do 4% wag., prowadziła do stopniowego obniżenia zawartości miedzi w końcowych żużlach. Poza tą wartością, straty miedzi w żużlu wzrastały znacznie ze wzrostem dodatków CaO i B₂O₃. Z drugiej strony, dodatek kolemanitu powyżej 4% wag., nie miał znacznego wpływu na straty miedzi w żużlu i wykazał plateau przy ok. 0,3% wag. Cu.

Za pomocą oprogramowania FactSage obliczono wykresy fazowe układu FeO-Fe₂O₃-SiO₂ po dodaniu topników, dla obserwacji obszaru ciekłego żużla. Obliczony wykres fazowy pokazał, że dodatek kolemanitu mocno zwiększał obszar ciekłego żużla w każdym kierunku (poza naroża krzemionki, tlenku żelazawego i trójtlenku żelazowego), poprzez utrzymanie ich początkowego kształtu.

Artykuł jest częścią cyklu zatytułowanego „Wady wyciskania” publikowanego na łamach czasopisma „Light Metal Age”. W artykule scharakteryzowano wady, które napotyka się w produktach wyciskanych tuż po wydobyciu ich z instalacji do wyciskania. Szczegółowo opisano wady widoczne na powierzchni tuż po wyciskaniu, które mogą być generowane lub modyfikowane po obróbce cieplnej, mechanicznej lub chemicznej. Autorzy zajęli się również defektami powierzchniowymi, w tym efektem smug, który jest często obecny na czystych lub anodowanych barwnie wyrobach wyciskanych ze stopu serii 6xx.

Efekt smug po anodowaniu dotyczy ujawniających się po trawieniu zmian w teksturze metalu, związanych z przepływem metalu w kształtowniku lub matrycy. Efekt smug jest wynikiem różnicy w intensywności światła odbitego od powierzchni z usterkami, w porównaniu z obszarem otaczającym. Taki stan powierzchni ma szkodliwy wpływ na wygląd zewnętrzny wyciskanych niskoprocentowych stopów Al-Mg-Si, co może być powodem odrzutów i poprawek.

Charakterystyka

Smugi są najbardziej rozpowszechnione i trudne do uniknięcia, z powodu zmian w przepływie materiału, związanych z właściwościami konstrukcji matrycy wymaganej do produkcji kształtowników. Smugi teksturalne oddziałują na strukturę metalurgiczną wyrobów wyciskanych, która ma wpływ na proces tworzenia smug. Ta wada zwykle nie jest widoczna na powierzchni tuż po wyciskaniu lub po obróbce skrawaniem, ale ujawnia się po trawieniu za pomocą sody kaustycznej oraz po wybłyszczaniu i anodowaniu. Efekt smugi na powierzchni to wzdłużne pasma w kierunku wyciskania, sporadyczne, albo rozciągnięte na całą długość wyciskanego produktu. Może występować pojedynczo lub w grupach na powierzchniach anodowanych jako równoległe pasma materiału, przejawiające
różne rozproszenie światła (od smugi do smugi). Najlepiej widoczna jest po przechylaniu materiału pod różnymi kątami oraz podczas obracania produktem w płaszczyźnie powierzchni. Smugi mogą być widziane na zmianach konturu powierzchni miejscowej lub na płaskich powierzchniach i mogą być wrażliwe na prędkość procesu anodowania.

Wygląd

Smugi teksturalne pojawiają się na powierzchniach anodowanych, jako równoległe pasma materiału. Mogą one zmieniać kolor na jasny lub ciemny, dlatego nie powinny być mylone z zanieczyszczeniem naskórka wlewka lub mieszaniem różnych stopów.

Pokazano przykład typowej smugi teksturalnej po czystym anodowaniu powłoki. Przedstawiono wygląd ogólny smugi teksturalnej. Zilustrowano zmianę wielkości ziarna (52–111μm), która jest zwykłą przyczyną tego typu smug. Pokazano obrazy SEM ilustrujące miejscowy „atak” przy granicach ziarn oraz zilustrowano wygląd małych ziarn zarówno przy niskim, jak i wysokim powiększeniu. Jak już wspomniano, efekt smug teksturalnych to różnica w intensywności i współczynniku odbicia światła w obszarze smugi, w porównaniu z otaczającym materiałem. Widoczny jest szczególnie, gdy topografia powierzchni jest bardziej chropowata niż 0,2 μm Ra.

W najnowszej literaturze dobrze udokumentowano, że kluczową różnicą pomiędzy powierzchnią z efektem smug a zwykłą powierzchnią jest morfologia rowków granic ziarn. Dominującym czynnikiem jest topografia powierzchni (ziarna, rowki granicy, chropowatość) pod warstwą anodowaną. W konsekwencji, powierzchnia w obszarze smug zdecydowanie zwiększa część rozproszoną światła odbitego, co w rezultacie daje zmatowiały, koloryzowany wygląd.

Uszkodzenia powierzchni, które wychodzą na jaw podczas wyciskania, zwiększają się z udziałem różnorodnych wżerów po trawieniu, rowków granicy ziarn oraz stopni trawienia ziarn podczas trawienia alkalicznego (trawienie sodą kaustyczną). Naprzemienne, wstępne obróbki poprzez anodowanie z zastosowaniem roztworów trawiących na bazie fluorków, trawienia z zastosowaniem kwasów, oferują drobniejszy i bardziej jednolity rozkład wżerów z bardzo niską wrażliwością na cechy mikrostruktury i topografię powierzchni. Stosowanie kwasu zamiast trawienia za pomocą sody jest niezawodnym, alternatywnym rozwiązaniem, mającym na celu maskowanie różnic mikrostruktury, dzięki czemu topografia trawionej powierzchni posiada bardziej równomierny rozkład wżerów, z bardzo małą wrażliwością na cechy mikrostruktury.

Przyczyny i środki zaradcze

Badanie defektów smugowych, które mogą wydać się identyczne, wymaga wnikliwych metod ustalenia natury defektów i procesu eliminacji podstawowej przyczyny.

Przedstawiono uogólniony schemat takiego badania, w oparciu o wstępną klasyfikację smug oraz zaprezentowano etapy procesu, w którym pojawiają się smugi np. wyciskanie wlewków w matrycy dwuczęściowej (wykorzystywanej w celu maksymalizacji procesu), umożliwia uzyskanie fizycznego połączenia pomiędzy powierzchniami wlewków, które mogą również zawierać pozostałości warstwy tlenku znajdującej się w kieszeniach matrycy do wyciskania (mogą się one rozciągać się przez kilka metrów do drugiego wlewka).

Powinno się zaniechać stosowanie wyciskania wlewków w matrycy dwuczęściowej, aby uniknąć pojawiania się losowo rozproszonej, ciemnej smugi na długości wyciskanego wyrobu. Ustalono również, że oprócz spoiny poprzecznej, warstwa tlenkowa z kolejnych wlewków może gromadzić się wewnątrz kieszeni podajnika matrycy i stopniowo wchodzić na wyciskaną powierzchnię, a więc tworzyć anodowane smugi. Ponieważ geometria kieszeni podajnika/portu odgrywa kluczową rolę w wielu aspektach jakości wyciskanego produktu, zdolność przewidywania efektu zmiany w konstrukcji podajnika/portu jest decydująca w udoskonaleniu powrotu poodkształceniowego prasy.

Pasma smug teksturowych w kierunku wyciskania, zwykle znajdujące się na szerokich, płaskich powierzchniach, często odpowiadają również zmianom w grubości przekroju lub obecności zmarszczeń i siatek na odwrotnej stronie. Teksturalny efekt smug pojawia się po powtórnym polerowaniu i anodowaniu mniej więcej w tym samym miejscu, co za pierwszym razem. Przyczyną efektu smug może być lokalna zmiana
w konturze powierzchni, strukturze ziarn lub teksturze, co wpływa na trawienie. Wielkość ziarn i różnice w orientacji, mogą pochodzić ze zmian w wielkości ziarn wlewka lub zależeć od temperatury powierzchni/warstwy podpowierzchniowej
i profilu odkształcenia w pobliżu zmiany grubości przekroju. Takie efekty są często podkreślane poprzez zmiany w strukturze wydzieleń i rozkład faz wtórnych (składniki Mg₂Si lub bogate w żelazo), co wynika z miejscowych różnic w temperaturze łożysk. Nierówne łączenie jednego łożyska z innym, może skutkować widoczną różnicą wielkości ziarn i orientacji, która jest zwykle zbyt głęboka do usunięcia i powoduje różną prędkość ataku wśród ziarn podczas trawienia i anodowania. Te wady nazywa się smugami ciśnieniowymi.

W stopach serii 6xxx, główne fazy międzymetaliczne są podstawowymi, bogatymi w Fe cząsteczkami międzymetalicznymi i cząstkami Mg-Si. Powstawanie wżerów trawiennych, które powodują rozpraszanie światła, jest związane z wielkością i rozkładem faz międzymetalicznych na powierzchni. Wykazano, że podczas trawienia wżery formują się przy powierzchni związków międzymetalicznych. Dzieje się tak z powodu wysokiego potencjału elektrochemicznego cząstek (w porównaniu z matrycą aluminiową), które działają jako katody i stymulują rozpuszczanie anodowe otaczającego aluminium. Wielkość wżerów trawiennych jest zawsze większa niż wielkość cząstek międzymetalicznych. Miejscowe zmiany w grubości przekroju mogą mieć również wpływ na rozpad i rozkład przestrzenny tych faz w kształtowniku, który również może mieć udział w efekcie smug.

Przemiany łożysk matrycy mogą powodować lokalne zmiany w teksturze powierzchni i powinny być łączone bez pozostawiania jakichkolwiek „ostrych” przemian. Krawędzie łożyska powinny być ostre i czyste. Wyciskane kształtowniki przed anodowaniem powinny być chłodzone w powietrzu lub w wodzie. Jeśli konstrukcja matrycy jest sztywna, istnieje możliwość minimalizacji smug pochodzących ze zmian w grubości kształtownika, poprzez zmienianie prędkości wyciskania lub temperatury wyciskania.

Klastery cząstek międzymetalicznych takie jak: spinele MgO/Al₂O₃ lub TiB₂, stopy Al-Mg-Si, mogą intensyfikować efekt smug, przez segregację dwuborku tytanu (ciemne pasmo). Niewłaściwa praktyka odlewania wlewków stosowana dla dodatku powodującego rozdrobnienie ziarn układu Al-Ti-B na etapie obróbki tego układu, jest typową przyczyną efektu smug. Nadmierne dodawanie anodowanego złomu do wsadu do pieca do przetapiania, również może prowadzić do efektu smug.

Walcówkę miedzianą produkuje się w zintegrowanym procesie obejmującym: wytapianie, odlewanie, walcowanie, oczyszczanie i pakowanie. Istnieją 2 główne urządzenia do odlewania ciągłego walcówki: urządzenia odlewnicze Hazelett i Southwire.

Zakład odlewania w Hamburgu (Niemcy), wytwarzający produkt pierwotny dla producentów drutów i kabli (głównie druty na magnesy trwałe i kable energetyczne), stosuje urządzenie Southwire z gwiazdowym kołem maszyny do odlewania o średnicy 3,6 m. Proces Southwire charakteryzuje się krzepnięciem ciekłej miedzi na kole. Odprowadzanie ciepła z koła maszyny do odlewania i pasa odlewniczego, odbywa się bezpośrednio nad kołem i pasem przez natryskiwanie wodą. Wymianę ciepła dostosowuje się do warstwy sadzy na kole i pasie. Głównym czynnikiem, mającym wpływ na zwiększenie wydajności procesu za pomocą utrzymania jakości walcówki końcowej, jest znormalizowany proces na maszynie do odlewania, który wraz z technikami kontroli jakości, nie jest wystarczający do dalszego rozwoju procesu krzepnięcia na poziomie zaawansowanym.

Dlatego modelowano proces odlewania za pomocą Obliczeniowej Mechaniki Płynów (ang. CFD). W celu zrozumienia, w jakich warunkach mogą wystąpić wady w prętach i jak im zapobiegać, wykonano symulację CFD, w której określono:

- parametry wejściowe: prędkość przepływu miedzi, temperaturę wejściową (miedź/koło/pas), kształt koła/pasa,

- prędkość koła/pasa,ŠŠwarunki brzegowe: strefa/y natryskiwania, warunki chłodzenia, temperatura, strumień cieplny, współczynnik wymiany ciepła (ang. HTC),

Š- parametry wyjściowe: profil temperaturowy, profil frakcji ciekłej, kurczenie się wlewka, napięcie na wlewku (powstawanie pęknięć).

Dla lepszego zrozumienia, które czynniki mają decydujący wpływ na występowanie wad w prętach, prowadzono analizę wrażliwości. Wśród badanych parametrów była grubość sadzy i szczelina powietrzna pomiędzy prętem i kołem maszyny odlewniczej. Analiza wrażliwości pokazała, że wpływ grubości sadzy na HTC jest względnie niższy, w porównaniu ze szczeliną powietrzną.

Zasadnicza jest weryfikacja modelu z wartościami rzeczywistymi. Jest wiele niewiadomych takich jak: wymiana ciepła w sadzy i ustalenie miejsca, gdzie zaczyna się rozwijać szczelina powietrzna. Z tego powodu, zaprojektowano testowe koło maszyny rozlewniczej. W celu stałych pomiarów temperatury, zostało nawierconych kilka termoelementów w kole maszyny do rozlewania. Dane były transmitowane za pomocą nadajnika Bluetooth do systemu kontroli procesu, a informacje zbierano na kilku etapach procesu. Z analizy wrażliwości i danych z testowego koła gwiazdowego, można było zweryfikować czynniki, które mają wpływ na krzepnięcie jednorodne: homogenizacja warstwy sadzy, redukcja natrysku wody na pas, wzrost temperatury odlewania, stabilizacja stałego pręta po kole gwiazdowym, ciągły proces kontroli.

Gdy zidentyfikowano główne czynniki mające wpływ na proces odlewania, ustalono parametry dla idealnie odlanego pręta. Zainstalowano system monitoringu, aby sprawdzać, czy proces odlewania przebiega w poprawnym zakresie parametrów. Kamera termowizyjna dawała sprzężenie zwrotne na gradient temperatury w odlewanym pręcie, zapewniając w ten sposób możliwość identyfikacji niepożądanych stanów procesu, dzięki czemu niezwłocznie można było podjąć odpowiednie środki zaradcze.

Ustalono, że symulacja termomechaniczna wspomagana przez próby, może scharakteryzować główne parametry mające wpływ na proces odlewania. Nie może jednak całkowicie odzwierciedlić procesu odlewania. Analiza wrażliwości daje dobrą charakterystykę parametrów procesu.

Materiały z gradientem funkcjonalnym (ang. FGMs), łączą różne właściwości funkcjonalne w jednej części. Właściwości te mogą być np. termiczne, korozyjne, związane z odpornością na zużycie, obrabialnością i wiązkością. Niektóre techniki produkcyjne wykorzystano do produkcji kompozytów o gradiencie funkcjonalnym z matrycą aluminiową (ang. FGAMCs). Wiele kompozytów aluminiowych FGAMCs, wytwarzano z powodzeniem poprzez odlewanie odśrodkowe.

Przeprowadzone badanie skupiało się na technice odlewania odśrodkowego (ang. CCT), która posiada kilka zalet w porównaniu z tradycyjnymi metodami odlewania. Doświadczalnie, lejność stopu może być polepszona poprzez obrót formy, ponieważ wielkość siły odśrodkowej daleko przewyższa wielkość grawitacji. Technika ta kieruje stopiony metal do cienkich krawędzi spływu, a siły pułapkują powietrze do wylotu. Jednakże wymagane jest niskie ciepło przegrzania, ponieważ materiały odlewane są czasami bardzo aktywne, połączone z wysoko turbulentnym przepływem i pułapkowaniem gazu, związanymi z dużą prędkością stopionego metalu.

Zasadą CCT jest wykorzystanie sił generowanych z przyspieszenia dośrodkowego obracającej się formy do rozmieszczenia w niej matrycy metalowej i cząstek. Siły odśrodkowe odgrywają znaczącą rolę podczas zalewania i krzepnięcia odlewu. Siła wzrasta w kierunku obszaru zewnętrznego odlewu, daleko od osi obrotu. Prowadzi to do wyższej gęstości przy powierzchni zewnętrznej niż w obszarze najbliższym osi. Siła odśrodkowa jest funkcją gęstości i promienia oraz jest styczna do kolistego toru obrotu. Pcha ona kąpiel lub cząstkę na obrzeża, gdzie materiał jest zatrzymywany przez ścianę formy. Dla matrycy i cząstki wzmacniającej, składnik o wyższej gęstości ma większą siłę odśrodkową i porusza się dalej, daleko od środka obrotu.

Zalety CCT są następujące:

- oszczędność czasu, ponieważ nie ma potrzeby istnienia elementów układu wlewowego dla kierowania przepływem metalu,

ŠŠ- odlewy o dobrej jakości, jeżeli chodzi o dokładne wymiary, dobre wykończenie powierzchni oraz porowatość, ponieważ ograniczona jest porowatość gazowa w obszarze powierzchni odlewu,

ŠŠ- krzepnięcie jest szybsze, z wysoką jakością własności metalurgicznych,

- ŠŠwytwarzana siła jest ok. 150 razy wyższa niż grawitacja,

- ŠŠwymagane są proste i lekkie operacje obróbki skrawaniem.

W kontekście FGAMCs, CCT obejmuje cząstki jednorodnie zmieszane z ciekłym metalem i zalewanie mieszaniny, która następnie krzepnie do wirującej formy, kształtującej gradient składowy. CCT jest metodą, dzięki której możliwa jest kontrola gradientu z zastosowaniem parametrów procesu. Obrót tworzy siłę odśrodkową pchającą stopiony metal i cząstki do ściany formy. Za pomocą tej techniki opracowano kilka metalowo-ceramicznych FGMs, stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym, lotnictwie czy kosmonautyce. Jednak masowa produkcja FGMs lub produkcja dużych części z materiałów z gradientem funkcjonalnym jest droga i wymaga udoskonalenia procesu technologicznego.

Metody odlewania odśrodkowego klasyfikowane są w 2 grupach. Pierwsza grupa opiera się na układzie urządzeń do odlewania odśrodkowego, druga, na temperaturze stopu matrycy i obejmuje metodę odśrodkową cząstek stałych typu ex-situ i metodę odśrodkową in-situ. Metoda odśrodkowa cząstek stałych typu ex-situ obejmuje: temperaturę poniżej temperatury likwidusu materiału matrycy i dodanie prefabrykowanego wzmocnienia do matrycy metalowej przez infiltrację, mieszanie zawiesiny cząstek fazy wzmacniającej z metalem w stanie ciekłym (tzw. proces „vortex”) lub odlewanie. Metoda odśrodkowa in-situ obejmuje: temperaturę przewyższającą temperaturę likwidusu matrycy oraz wydzielenie wzmocnienia w kąpieli matrycowej podczas chłodzenia i krzepnięcia. Jest to metoda korzystna w porównaniu z techniką ex-situ pod względem dobrej zwilżalności, jednorodnego rozkładu wzmocnienia i stabilności termodynamicznej materiału wzmocnienia w stopie matrycy.

Metoda odlewania odśrodkowego jest interesująca z powodu możliwości kontroli gradientu z zastosowaniem parametrów procesu. Proces odlewania odśrodkowego rozwija się gwałtownie i posiada możliwości zdominowania produkcji FGMs. Do pełnego wykorzystania tej metody należy poszerzyć informacje z zakresu kontroli i rozkładu cząstek.

Gradient FGMs wytwarzany techniką odśrodkową jest funkcją: prędkości obrotu, czasu trwania procesu i zawartości płynu dyspersyjnego oraz cząstek.

Do produkcji FGMs ze wzmocnieniem nanowymiarowym, wprowadzono nową metodę odśrodkową mieszanego proszku (ang. CMPM), która składa się z następujących etapów:

- ŠŠmieszanie funkcjonalnych nanocząstek proszków i cząstek matrycy metalowej w wirującej formie,

ŠŠ - topienie wlewka matrycy metalowej i zalewanie stopionego metalu do formy wirującej, która zawiera mieszaninę proszku,

ŠŠ- matryca stopionego metalu jest wpychana za pomocą siły odśrodkowej do przestrzeni pomiędzy cząstkami mieszaniny proszku. Ciepło w matrycy stopionego metalu topi proszek matrycowy i tworzy kompozyt z nanocząstkami. Nanocząstki funkcjonalne wędrują do obszaru zewnętrznego wytworzonego pierścienia z materiału o gradiencie funkcjonalnym.

Za pomocą metody CMPM wyprodukowano i scharakteryzowano materiały Cu-SiC i Al-TiO2. Wykazano, że:

ŠŠ- nanocząstki były zdyspergowane jedynie na powierzchni wytworzonego pierścienia FGMs,ŠŠ

- dyspersja nanocząstek nie jest zależna od różnicy gęstości pomiędzy matrycą i cząstką, poprzez CMPM zwiększona została twardość powierzchni wytworzonego FGM,

ŠŠ- CMPM jest efektywna przy wytwarzaniu FGMs, które posiadają nanocząstki.

Istotnymi parametrami przeróbki, mającej na celu kontrolę mikrostruktury gradientowej są: temperatura formy, temperatura zalewania, prędkość zalewania, gradient termiczny poprzez formę, prędkość obrotu formy, prędkość krzepnięcia.

Proces odlewania odśrodkowego udoskonalany był od lat. Przeprowadzono wiele prac badawczych w różnych aspektach, obejmujących udogodnienia i parametry przeróbki. Opracowany przegląd literatury wykazał, że:

ŠŠ- poprzez zastosowanie techniki odlewania odśrodkowego (CCT), można uzyskać możliwość systematycznego włączania do pojedynczej części niekompatybilnych funkcji takich jak: pojemność cieplna, wiązkość, obrabialność, odporność na zużycie i korozję,

ŠŠ- głównymi parametrami przeróbki są: wielkość cząstek wzmocnienia, temperatura wstępnego nagrzewania i zalewania oraz prędkość obrotowa,

- ŠŠmetoda odlewania odśrodkowego jest prosta do wykonania i efektywna pod względem kosztów,

ŠŠ- proces CCT jest zasadniczo widziany w literaturze, jako proces, który posiada sporo zalet w porównaniu z tradycyjną metodą odlewania grawitacyjnego,

ŠŠ- w jego zastosowaniu istnieją jeszcze wyzwania, w stosunku do pewnych kształtów (jest efektywny tylko dla części cylindrycznych) i produkcji masowej.