Способ получения слитков из сплавов на основе ванадия с титаном и хромом вакуумной дуговой гарнисажной плавкой

 

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для получения высококачественных слитков из сплавов на основе ванадия с титаном и хромом, перспективных для использования в термоядерной энергетике путем вакуумной дуговой гарнисажной плавки (ВДГП). Способ включает сплавление расходуемого ванадиевого электрода в тигель с гарнисажем из соответствующего сплава, на дно которого загружают шихту из титана и хрома без предварительной подготовки, причем вначале производят расплавление шихты из титана и хрома без сплавления расходуемого электрода в течение времени, определяемого соотношением: 1,46 · 10^-3 m/q ≤ t ≤ 1,58 · 10^-3 m/q при 0,05 ≤ q ≤ 0,2, где t - время полного расплавления шихты из титана и хрома без сплавления расходуемого электрода, сек; q - удельная мощность дуги в период расплавления шихты из титана и хрома, кВт/см² площади дна тигля; m - масса шихты из титана и хрома, г, после чего поднимают удельную мощность дуги до рабочего значения и сплавляют расходуемый электрод в тигель. Изобретение позволяет снизить трудозатраты в 1,22 раза за счет исключения процессов изготовления расходуемых электродов из шихтовых материалов или их компактирования. 2 табл.

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для получения высококачественных слитков из сплавов на основе ванадия, содержащих не более 20 мас.% титана и хрома при соотношении их содержаний: 0,5 ≤ C_Ti/Ccr ≤ 6 где C_Ti, C_Cr - содержание Ti, Cr, мас.%.

перспективных для использования в термоядерной энергетике путем вакуумной дуговой гарнисажной плавки (ВДГП).

Известен способ получения сплавов на основе ванадия с титаном и хромом путем не менее чем двухкратного вакуумного дугового переплава [1], при котором расходуемый электрод для первого переплава изготавливают брикетированием гранулированного ванадия или превращенного в стружку ванадиевого слитка с добавлением в брикет легирующих добавок.

Недостатком данного способа является необходимость изготовления расходуемого электрода первого переплава и проведение не менее чем 2-кратного вакуумного дугового переплава, что существенно снижает технико-экономические показатели процесса. Кроме того, вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода в глуходонный кристаллизатор, при котором в жидком состоянии одновременно находится только часть переплавляемого металла, характеризуется недостаточной однородностью по химическому составу по длине слитка.

Известен способ получения однородных по химическому составу слитков из сплавов на основе тугоплавких металлов [2] путем ВДГП, при котором в качестве шихты используют расходуемые электроды и кусковую шихту, причем расходуемыми электродами служат слитки, изготавливаемые однократным вакуумным дуговым переплавом в глуходонный кристаллизатор прессованных электродов с добавлением легирующих элементов, а кусковая шихта представляет собой отходы производства соответствующих сплавов.

Недостатком данного способа являются значительные трудозатраты, связанные с необходимостью изготовления расходуемых электродов и отбором отходов, дальнейшее использование которых при выплавке сплавов особо ответственного назначения строго ограничено.

Известен способ ВДГП сплавов [3], при котором расходуемый электрод формируется из шихтовых материалов с помощью компактирования и сварки.

Недостатком данного способа является повышенная трудоемкость, связанная с необходимостью изготовления расходуемого электрода.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ ВДГП ГРЭ (гарнисаж - расходуемый электрод) [4], при котором расходуемым электродом является гарнисаж от предыдущей плавки, а шихту в виде прессованных брикетов, компактированной стружки и кусковых отходов загружают на водоохлаждаемое дно медного тигля, при этом не требуется специального приготовления расходуемого электрода.

Недостатком данного способа является необходимость использования шихты в виде прессованных брикетов, при котором требуется наличие специального оборудования и увеличиваются трудозатраты.

Размещение же шихты в некомпактированном виде непосредственно на водоохлаждаемом дне тигля приводит к неполному ее расплавлению и усвоению расплавом и, как следствие, к браку по химическому составу.

Задачей, решаемой с помощью данного изобретения, является получение высококачественных слитков сплавов ванадия с титаном и хромом, исключающее необходимость формирования расходуемого электрода из шихтовых материалов или их компактирования и обеспечивающее снижение трудозатрат в 1,22 раза.

Решение поставленной задачи достигают тем, что проводят ВДГП сплавов ванадия с титаном и хромом при их содержании не более 20 мас.% и соотношении 0,5-6, включающий присоединение расходуемого электрода к механизму перемещения электрода, загрузку шихты, состоящей из титана и хрома в медный водоохлаждаемый тигель, сплавление расходуемого электрода в тигель с последующей разливкой в изложницу, при котором в качестве расходуемого электрода используют слиток ванадия, а шихту из титана и хрома укладывают на дно находящегося в тигле гарнисажа из соответствующего сплава, после чего зажигают дугу и производят полное расплавление шихты из титана и хрома в течение времени, определяемого соотношением: при 0,05 ≤ q ≤ 0,2 где t - время полного расплавления шихты из титана и хрома без сплавления расходуемого электрода, с, q - удельная мощность дуги в период расплавления шихты из титана и хрома, кВт/см² площади дна тигля, m - масса шихты из титана и хрома, г, после чего поднимают удельную мощность дуги до рабочего значения и сплавляют расходуемый электрод в тигель.

Выбор удельной мощности дуги (q) в период расплавления шихты из титана и хрома в интервале 0,05 ≤ q ≤ 0,2 обусловлен тем, что на основании экспериментов, проведенных заявителем, установлено, что при q > 0,2 кВт/см² площади дна тигля начинается сплавление расходуемого электрода еще до полного расплавления шихты из титана и хрома, что повышает температуру ее плавления и уровень расплава в тигле, снижающие усвояемость титана и хрома и количество сливаемого расплава. При значениях q < 0,05 кВт/см² площади дна тигля шихту из титана и хрома расплавить полностью не удается даже при длительной выдержке.

Результаты экспериментов по ВДГП сплава ванадия, содержащего 4±0,5% Cr и 9±1% Ti, приведенные в таблице 1, показывают, что при времени расплавления шихты из Ti и Cr: t < 1,46·10^-3 m/q
не происходит ее полного расплавления, что, как следствие, приводит к браку по химическому составу, а при:
t > 1,58·10^-3 m/q
начинается сплавление расходуемого электрода при малой мощности, что снижает коэффициент слива расплава К, равного отношению суммарной массы расходуемого электрода и шихты к массе слитка.

Помещение же шихты из титана и хрома непосредственно на водоохлаждаемое дно тигля приводит к неполному ее расплавлению и браку по химическому составу.

Примером осуществления предлагаемого способа является получение сплава V-Ti-4±0,5% - Cr-4±0,5% способом ВДГП в печи 1 ДРВГ 0,25 ПЦ, при котором в качестве расходуемого электрода использовали слиток ванадия диаметром 16 см массой 50 кг, а шихту из прутков титана диаметром 5 см массой 2,8 кг и чешуйчатого электролитического хрома массой 2,8 кг помещали на дно находящегося в тигле гарнисажа из данного сплава диаметром дна 26 см, после чего зажигали дугу и осуществляли полное расплавление титана и хрома в течение времени t = 120 с при q = 0,07 кВт/см² площади дна тигля. Затем поднимали удельную мощность до 0,85 кВт/см² площади дна тигля, сплавляли расходуемый ванадиевый электрод и сливали накопленный в тигле расплав в изложницу при отключенной дуге. В результате получен слиток массой 37,3 кг (после отрезки головной части, содержащей усадочную раковину массой 15,5 кг). Слиток анализировали на содержание легирующих компонентов, отбирая пробы от верхней, средней и нижней его части.

Результаты химического анализа, приведенные в таблице 2, свидетельствуют о решении поставленной задачи - создании способа получения высококачественных слитков из сплавов на основе ванадия с содержанием не более 20% титана и хрома вакуумной дуговой гарнисажной плавкой при снижении трудозатрат, связанных с подготовкой шихтовых материалов, в 1,22 раза.

Предложенный способ может быть применен в промышленном производстве изделий из сплавов на основе ванадия с титаном и хромом для нужд термоядерной энергетики.

Источники информации
1. R.W. Buckman "Consolidation and fabrication of vanadium and vanadium base alloys". International Metals Reviews, 1980, N 4, p. 159.

2. Е.Л. Бибиков, С.Г. Глазунов, А.А. Неуструев и др. "Титановые сплавы. Производство фасонных отливок из титановых сплавов". М., "Металлургия", 1983, с.90.

3. А. А. Неуструев, Г.Л. Ходорковский "Вакуумные гарнисажные печи". М., "Металлургия", 1967, с. 38.

4. "Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов"./ Под ред. В.И. Добаткина, М., "Металлургия", 1978, с. 312 - прототип.

Формула изобретения

Способ получения слитков из сплавов на основе ванадия с титаном и хромом вакуумной дуговой гарнисажной плавкой, содержащих не более 20 мас.% титана и хрома в соотношении 0,5-6, включающий присоединение расходуемого электрода к механизму перемещения электрода, загрузку шихты, состоящей из титана и хрома в медный водоохлаждаемый тигель, сплавление расходуемого электрода в тигель с последующей разливкой в изложницу, отличающийся тем, что в качестве расходуемого электрода используют слиток ванадия, а шихту загружают на дно находящегося в тигле гарнисажа из соответствующего сплава, зажигают дугу и проводят полное расплавление шихты в течение времени, определяемого соотношением

при 0,05 ≤ q ≤ 0,2,
где t - время полного расплавления шихты из титана и хрома без сплавления расходуемого электрода, с;
q - удельная мощность дуги в период расплавления шихты из титана и хрома, кВт/см² площади дна тигля;
m - масса шихты из титана и хрома, г,
после чего поднимают удельную мощность дуги до рабочего значения и сплавляют расходуемый электрод в тигель

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2