Войти  |  Регистрация
Авторизация

Получение слитков компактного титана электродуговой плавкой. Конструкция печи, технология плавки



Высокая активность титана по отношению к кислороду и азоту воздуха, а также практически ко всем огнеупорным материалам, обусловила создание специальной вакуумной плавки для получения слитков.
На первых стадиях развития титановой промышленности применяли только индукционную плавку. Однако вскоре пришлось отказаться от этого способа в связи с трудностями подбора материала тигля, который бы не взаимодействовал с расплавленным титаном.
Наиболее приемлемой оказалась плавка дугой в металлической охлаждаемой форме — кристаллизаторе. В процессе плавления на поверхности кристаллизатора образуется слой твердого металла, который не взаимодействует с материалом формы. Довольно широкое распространение получила дуговая вакуумная плавка с нерасходуемым электродом. В качестве последнего использовали вольфрам или графит. Однако и этот способ плавки оказался непригоден из-за загрязнения переплавляемого металла материалом электрода. Тогда стали применять расходуемый электрод из титановой губки.
Современная технологическая схема производства слитков титановых сплавов включает следующие основные операции: подготовку шихты, прессование расходуемых электродов, первый переплав, обработку слитков первого переплава, второй переплав, механическую обработку слитков, контроль их качества.
Подготовка шихты. Шихта для плавки слитков состоит из губчатого титана, лигатур и легирующих элементов в чистом виде, отходов.
Введение легирующих элементов в чистом виде или в виде лигатур определяется, в основном, возможностью их растворения в металле в процессе плавки. Лигатуры выбирают так, чтобы их температура плавления и плотность в наибольшей степени были близки к этим показателям титана.
В чистом виде применяют следующие легирующие компоненты титановых сплавов: алюминий, марганец, цирконий, железо, кремний, иногда хром. Ванадий, молибден вводят в виде лигатур с алюминием. Применяют также комплексные лигатуры, например, для выплавки сплава ВТЗ-1. который содержит в соответствующей пропорции и другие легирующие элементы (хром, железо и пр.). Эти лигатуры получают алюминотермическим способом. Олово вводят в виде лигатуры алюминий—олово, которую изготавливают сплавлением чистых компонентов в индукционных печах.
Перед использованием в шихте легирующие компоненты измельчают. Хрупкие металлы и лигатуры (хром, марганец, алюминий—молибден, алюминий—ванадий и др.) дробят на щековых или молотковых дробилках. Слитки (чушки) алюминия и лигатуры алюминий—олово переводят в стружку на строгальных станках.
В шихте используют следующие виды отходов: листовую обрезь, кусковые отходы от кованых или прессованных изделий, стружку. Предварительно отходы необходимо измельчить и удалить с их поверхности слой, содержащий повышенное количество газовых примесей. Для этого листовые отходы предварительно травят, измельчают на механических ножницах и эксцентриковых прессах до размеров 60х60 мм и затем обезжиривают. Кусковые отходы куют и рубят в нагретом состоянии на куски размером не более 60х60х80 мм. а затем очищают в галтовочных барабанах для удаления слоя оксидов.
При плавке используют стружку без видимых цветов побежалости. Стружку дробят до размеров не более 70 мм и подвергают магнитной сепарации для удаления осколков твердосплавных резцов, которые попадают в стружку при токарной обработке титановых сплавов и, не расплавившись, могут образовать в слитке инородные включения.
При шихтовке сплавов рассчитывают величину навесок легирующих компонентов и необходимую твердость губчатого титана, обеспечивающую требуемую прочность сплава. Расчет навесок легирующих компонентов, в соответствии с их содержанием в сплавах, производят с учетом их поступления из отходов и угара при плавке.
Прессование электродов. Для получения расходуемых электродов применяют порционное прессование в проходную коническую матрицу круглого сечения. Прессование ведут на мощных горизонтальных или вертикальных гидравлических прессах. Применение вертикальных прессов предпочтительнее, так как в этом случае распределение компонентов шихты по горизонтальному и вертикальному сечению электродов более равномерное. Шихта засыпается из бункера по шихтопроводу в лоток—приемник шихты. Пресс-штемпель (пуансон) посредством пресс-шайбы (надставки) толкает шихту в конусную матрицу, которая установлена в направляющей втулке. Порция шихты спрессовывается, пресс-штемпель отводится в исходное положение, и загружается очередная порция шихты. Для уменьшения усилий прессования матрица подогревается до 250—300 °С. Для того чтобы порции шихты в электроде соединялись между собой, пресс-шайба имеет фигурную поверхность торца.
Одно из основных условий получения прочного электрода — достижение достаточного удельного давления прессования — 3,0—3,5 т/см2, а в конце цикла прессования — не менее 1,4 т/см2.
Состав каждой порции прессования по соотношению компонентов должен соответствовать расчетному составу шихты. Величина порции определяется диаметром прессуемого электрода. Расчетами и на практике установлено, что она не должна быть больше 1/2 массы ванны жидкого металла при плавке слитка первого переплава.
Дозирование и подача порции на прессование осуществляется обычно автоматическими устройствами.
Плавление слитков. Выплавку слитков первого и второго переплавов производят в однотипных печах. Схема вакуумной дуговой печи приведена на рис. 81. Основные узлы печи: изложница, поддон, электрододержатель, рабочая камера, вакуумная система.
Получение слитков компактного титана электродуговой плавкой. Конструкция печи, технология плавки

Изложница — самая важная часть печи. В ней происходит горение дуги, плавление электрода, кристаллизация слитка. Изложница состоит из медного кристаллизатора, обычно цилиндрической формы, и корпуса, изготавливаемого из коррозионностойкой стали. При работе печи в кольцевой зазор между кристаллизатором и корпусом подается вода под давлением для охлаждения кристаллизатора. Высокая теплопроводность и пластичность меди обеспечивают длительную работу кристаллизатора в условиях термических напряжений, возникающих при воздействии жидкого металла и излучения дуги. На корпус изложницы наматывают соленоид, который создает внутри кристаллизатора продольное магнитное поле. При взаимодействии электрической дуги с магнитным полем оно стабилизирует горение дуги и вращает ванну жидкого металла, улучшая условия перемешивания жидкой ванны.
Другой важный узел — поддон. Он закрывает кристаллизатор снизу и в начальный период плавки испытывает большие тепловые нагрузки. Поддон изготавливают из меди и также охлаждают водой, подаваемой под давлением.
Электрододержатель предназначен для вертикального перемещения расходуемого электрода в печи и подачи напряжения на дугу. Его обычно изготавливают из стали. Он представляет собой две коаксиально расположенные трубы, во внутреннюю подается вода для охлаждения. Электрододержатель вводят в рабочее пространство через кольцевое уплотнение. Снизу к наружной трубе приварен хвостовик с резьбой. На хвостовик навертывают титановый огарок, который служит для крепления (приварки) расходуемого электрода.
Рабочая камера предназначена для размещения части расходуемого Электрода, который обычно длиннее кристаллизатора, и для соединения кристаллизатора с вакуумной системой. В верхней части камеры расположены смотровые окна, через которые с помощью перископов ведут визуальное наблюдение за ходом плавки. Камеру изготавливают из коррозионностойкой стали, она испытывает относительно небольшие тепловые нагрузки.
Вакуумная система состоит из вакуумных насосов, вакуум проводов, запорной арматуры и приборов контроля. Система должна обеспечивать быструю откачку воздуха из печи Перед плавкой до давления 13,3 Па и поддержание во время плавки давления не выше 26,6 Па. Для откачки используют один или несколько механических форвакуумных насосов типа ВН-6Г и механических бустерных насосов типа 2ДВН-1500 или 2ДВН-3000.
Плавление металла происходит благодаря теплу, выделяемому электрической дугой, которая горит между расходуемым электродом и поверхностью ванны жидкого металла. Для плавки титана используют постоянный ток: минусовым полюсом является расходуемый электрод, плюсовым — наплавляемый слиток. В качестве источников питания используют машинные генераторы или вентильные кремниевые выпрямители. В современных промышленных печах используют силу тока до 37,5 кА при напряжении 30-80 В.
Плавление слитков происходит следующим образом. Расходуемый электрод загружают в печь и сваривают с огарком. Затем, подняв электрод. зажигают дугу между нижним торцом электрода и поддоном. При выплавке крупных слитков второго переплава на поддон обычно кладут темплет из того же сплава для защиты поддона от прямого воздействия дуги. Конец электрода разогревается дугой до температуры, превышающей температуру плавления, на торце образуются капли жид кого металла. Когда масса капли превысит силы поверхностного натяжения, капля отрывается и падает на поддон. Постепенно электрод подают вниз, а слиток нарастает вверх, при этом в верхней части слитка образуется ванна жидкого металла. Таким образом, одновременно идут плавление и кристаллизация слитка.
На рис. 82 схематично изображены основные физико-химический процессы, протекающие при плавке титановой губки. В начале плавки из прессованного электрода в результате его разогрева джоулевым теплом удаляются вода и адсорбированные газы (азот, кислород). В зоне более высоких температур ближе к нижнему концу электрода выделяются пары магния и хлорида магния, которые большей частью конденсируются над расплавом на стенке кристаллизатора и на электроде. Часть этих паров увлекается отходящими газами в камеру печи и в вакуумную систему.
Получение слитков компактного титана электродуговой плавкой. Конструкция печи, технология плавки

Аналогично ведут себя легколетучие легирующие компоненты, с той лишь разницей, что их испарение идет в основном с поверхности жидкого металла на электроде и в ванне. На холодной стенке кристаллизатора пары металлов и солей конденсируются в соответствии с величиной давления насыщенного пара: сначала алюминий, затем хром, марганец, магний и хлорид магния.
Поднимающийся в кристаллизаторе металл покрывает осажденный на стенке конденсат, часть его растворяется в поверхностных слоях слитка, обогащая их. Особенно заметно это явление у наиболее летучего легирующего компонента — марганца; его содержание может повышаться в поверхностном слое слитков первого переплава до 12—17 %.
Часть конденсата, нерастворимая в титане, остается в виде включений и поверхностных пленок на слитке; часть перегревается, прорывается через расплавленный металл, разбрызгивая его. Брызги металла осаждаются на кристаллизаторе и образуют так называемую корону. Все это приводит к загрязнению поверхности слитка и образованию на нем корки — шероховатой поверхности — с порами и раковинами.
Во время плавки важно поведение водорода и натекающих активных газов (кислорода и азота). Растворимость водорода в титане с повышением температуры уменьшается, поэтому наиболее активно он выделяется из расплавленного слоя на торце электрода. Основная часть его удаляется через вакуумную систему. Часть водорода диффундирует в более холодные части расходуемого электрода и слитка, где растворимость его больше.
Натекающие активные газы (азот, кислород) попадают в рабочее пространство печи через неплотности конструкции, главным образом из верхней части. Они необратимо соединяются с жидким титаном, снижая качество слитков. Однако их диффузии в зону плавления препятствует встречный поток водорода. Поэтому, правильно подобрав значения допустимых вакуума и натекания, можно создать такие условия, которые обеспечат практически полное отсутствие загрязнения кислородом и азотом при плавке.
Описанные выше физико-химические процессы происходят и при втором переплаве, но они проявляются в меньшей степени, поскольку основное количество примесей удаляется при первом переплаве. Поэтому в технологии производства первый переплав является рафинирующим.
Слитки первого переплава, выгруженные из печи горячими (400—450 °С), чистят в проточной воде металлическими щетками для удаления возгонов солей с их поверхностей. Затем на токарном станке отрезают корону.
Слитки первого переплава сваривают один с другим внепечной аргонно-дуговой сваркой и используют в качестве расходуемого электрода для второго переплава. В последнее время большое распространение получила технология плавки "слиток в слиток", заключающаяся в использовании для второго переплава одного длинного слитка первого переплава. Эта технология исключает вредное влияние сварного шва, который приводит к образованию неоднородности в выплавляемых слитках.
Основная задача второго переплава — получение однородного слитка с качественной поверхностью. Достигается это применением больших плотностей тока: поддержанием при плавке небольшого давления инертного газа (10—25 кПа), что особенно важно для получения однородных слитков из сплавов, содержащих марганец; выведением усадочной раковины путем снижения силы тока в конце плавки.
Применение вакуума и высоких температур требует соблюдения строгих мер предосторожности при ведении процесса. При прожоге водоохлаждаемых узлов печи и попадании воды в рабочее пространство жидкий титан реагирует с ней, поглощая кислород и выделяя водород. Если при этом через неплотности конструкции, которые могут образоваться из-за резкого повышения давления, в печь попадет воздух, образуется гремучая смесь и может произойти взрыв.
Механическая обработка слитков. Слитки, полученные двухкратной плавкой, обтачивают до удаления поверхностного слоя, который имеет неслитины и поры. Механическую обработку производят на токарных станках резцами с напайками твердого сплава ВК8. Зону резания охлаждают сжатым воздухом, с тем чтобы при последующем использовании с ружки в шихте ее не приходилось обезжиривать. Высокопрочные сплавы ВТ9, ВТЗ-1, ВТ15 и др. для уменьшения усилий при обточке обрабатывают в горячем состоянии, непосредственно после выгрузки из печи.
Контроль качества слитков состоит из определения химического состава выплавленного металла, испытания его механических свойств и ультразвукового контроля, выявляющего внутренние дефекты в металле.
Пробы на химический анализ в виде стружки отбирают по образующей и с торцов слитков.
Твердость определяют на образующей с помощью прибора Польди. При определении других механических свойств от слитка отрезают темплет толщиной 25—30 мм, из которого куют технологические пробы для изготовления образцов на разрыв и на ударную вязкость.
Ультразвуковой контроль выявляет наличие несплошностей (усадочных раковин, пор) и посторонних включений (непроплавившиеся кусочки лигатур, осколки твердосплавных пластин). Дефектные части слитков отрезают и направляют в отходы.
Вакуумная дуговая плавка с расходуемым электродом имеет ряд существенных недостатков. Основные из них следующие:
- использование ограниченного количества отходов в шихте из-за снижения прочности прессованных электродов при введении их больше 30—35 %;
- недостаточная однородность слитков и образование в них тугоплавких дефектов в связи с тем, что во время плавки только малая часть слитка находится в жидком состоянии;
- взрывоопасность процесса;
- потери металла при обработке слитков, связанные с недостатонным проплавлением поверхности.
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent