Способ получения слитков

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для выплавки слитков тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов, преимущественно титановых, применяемых в аэрокосмической технике. Способ включает получение при первом переплаве в гарнисажной печи расплава и формирование из него в изложнице цилиндрического слитка-электрода, который используют при втором переплаве в вакуумной дуговой печи. В изложнице гарнисажной печи формируют монолитный слиток-электрод, состоящий из цилиндрической части и хвостовика, а оставшийся после вакуумного дугового переплава огарок в виде оборотного металла используют в составе шихты в гарнисажной плавке. Изобретение позволяет организовать стабильный технический процесс получения качественных слитков с гарантированным отсутствием тугоплавких включений, удовлетворяющих требованиям аэрокосмической промышленности, а также снизить трудоемкость и повысить производительность.

 

Предлагаемое изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для выплавки слитков тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов, преимущественно титановых, применяемых в аэрокосмической технике.

Традиционно титановые сплавы для аэрокосмической техники производят двойным вакуумным дуговым переплавом (ВДП), тройным ВДП либо методами электронно-лучевой плавки (ЭЛП), плазменно-дуговой плавки в кристаллизатор (ПДП)+ВДП, гарнисажной плавки способом гарнисаж - расходуемый электрод (ГРЭ)+ВДП. Обязательным условием при производстве данных сплавов является отсутствие тугоплавких включений, образовавшихся из кусочков шихты, имеющих более высокую плотность и температуру плавления, чем основной металл. К ним относятся газонасыщенные (с высоким содержанием азота и кислорода) включения губки и отдельные обогащенные тугоплавкими элементами (вольфрам, молибден, ниобий) частицы лигатур и режущего инструмента (как правило, в составе стружки при ее вовлечении в технологический процесс). Несмотря на тщательную подготовку и контроль качества шихтовых материалов, при нарушении нормального технологического процесса такие кусочки могут оказаться в шихте.

В процессе ЭЛП возникают трудноразрешимые проблемы при вовлечении в расплав сравнительно летучих элементов (например, алюминий, хром). К недостаткам процесса также относится недолговечность катодов, которые быстро подвергаются эрозии вследствие огромной электрической эмиссии. В ПДП требуется использование большого количества нейтрального газа и не решен вопрос с удалением водорода из выплавляемого металла.

Известен способ получения слитков двойным и более ВДП, включающий первый переплав прессованного расходуемого электрода на оборотный огарок, получение слитка - расходуемого электрода, который за державку закрепляют в печи второго переплава и выплавляют слиток. Этот способ обеспечивает повышение производительности вакуумных дуговых печей второго переплава, повышение выхода годного металла и снижение себестоимости выплавляемых слитков с применением оборотных огарков (патент РФ №2213791) - аналог.

Недостатком способа является то, что при ВДП происходит совмещение в кристаллизаторе зон расплавления и затвердевания металла. При относительно небольшой глубине ванны расплава, которая перемещается по высоте в процессе плавки, содержащиеся тугоплавкие частицы, имея большую плотность и температуру плавления, не успевают перейти в жидкую фазу и вмерзают в тело слитка. Таким образом, изделия, изготовленные из данного металла, могут наследовать его дефекты. На начальной стадии расплавления торцевой части электрода на оборотный огарок процесс плавки недостаточно интенсивен, в результате чего из электрода выплавляются наиболее легкоплавкие компоненты, такие как алюминий. Появляется зона, отличающаяся по своему химическому составу от основного тела слитка, которая затем удаляется механической обработкой, что приводит к снижению выхода годного. Кроме того, вспомогательные операции, связанные с изготовлением массивного оборотного огарка, механической обработкой требует больших временных, материальных и трудовых затрат.

Известен способ получения слитков преимущественно титановых сплавов, содержащий двойной дуговой переплав, где на первой стадии на гарнисажной печи осуществляется переплав шихты и гарнисажа - расходуемого электрода с последующим сливом расплава в изложницу с плоским дном. При этом получают слиток в форме правильного цилиндра, который затем используют в качестве электрода при последующем ВДП. Для этого к его торцу приваривают расходуемый огарок, закрепляемый на электродержателе вакуумной дуговой печи второго переплава, а затем полученный слиток-электрод расплавляют на плоский поддон медного охлаждаемого кристаллизатора (Александров В.К. и др. Плавка и литье титановых сплавов, - М.: Металлургия, 1994 г., стр.224-230) - прототип.

В отличие от печей ВДП гарнисажная печь не требует другой печи или пресса для получения расходуемого электрода, поскольку новый электрод наряду со слитком получается в каждом плавильном цикле, кроме того, не требуется измельчение отходов, вовлекаемых в шихту. В отличие от большинства ЭЛП в гарнисажной печи можно плавить сплавы с летучими элементами, а в отличие от плазменных дуговых - в них можно плавить губку.

В процессе плавки создается и достаточно продолжительное время поддерживается ванна расплава, в 1,5 и более раз превосходящая объем получаемого слитка. В результате этого химический состав металла усредняется, рафинируется от газовых и летучих включений, а тугоплавкие частицы или растворяются или, имея более высокую плотность, вмораживаются в гарнисаж и не попадают в отливаемый слиток. Второй переплав в ВДП позволяет получить слитки с плотной, мелкозернистой, однородной структурой.

Недостаток способа в том, что полученный методом гарнисажной плавки слиток-электрод отливается в изложницу, и он не может быть наплавлен как при ВДП на оборотный огарок. Поэтому для его подготовки требуется вспомогательная операция - приварка к донной части расходуемого огарка. Расходуемый огарок имеет переходную часть, которая приваривается к торцу слитка-электрода, и хвостовик, предназначенный для механического закрепления и надежного электрического контакта с электрододержателем в процессе второго ВДП.

Изначально длинномерный расходуемый огарок рассчитан на 20-30 плавильных циклов. В процессе каждой приварки образуются неоднородные дефектные химические включения в виде натеков, спресов, спекшихся брызг и хлоридов, которыми загрязняются огарок, печь, а следовательно, и выплавляемые в ней слитки. Зона сварного шва химически неоднородна с основным металлом или сплавом и ее расплавление категорически не допускается, так как она является источником загрязнения выплавляемого слитка. По этой причине плавильщики оставляют недоплавленным участок "блин" слитка-электрода, на практике 40-100 мм. Однако это не является гарантией чистоты слитка, поскольку центральная часть оставляемого "блина" иногда расплавляется до сварного шва и более. В процессе плавки возникают механические колебания конструкции печи и электрододержателя, которые передаются на слиток-электрод, при этом наросты, образующиеся в зоне сварки, отваливаются, падают в расплав и загрязняют его. Химически неоднородные включения затем обнаруживаются в слитках, полуфабрикатах и даже в конечных изделиях авиационной и другой техники и являются потенциальным источником ее разрушения в процессе эксплуатации, поэтому проблеме качества уделяется первоочередное внимание. Для удаления "блина" требуется трудоемкая вспомогательная операция, при которой в печь устанавливают специальный кристаллизатор, в который расплавляют оставшийся на расходуемом огарке после плавки "блин", что приводит к непроизводительной работе печи и ее загрязнению. Полученный из "блина" слиток направляется в отходы. В процессе сварки для надежного электрического контакта с помощью электрододержателя торец огарка прижимается к привариваемому торцу слитка-электрода, что приводит к деформации медного поддона кристаллизатора и преждевременному его износу, поломкам механизма перемещения, децентровке кристаллизатора относительно оси электрододержателя, а следовательно, неравномерному кольцевому зазору между боковой поверхностью расплавляемого слитка-электрода и охлаждаемыми стенками медного кристаллизатора. Неравномерность кольцевого зазора приводит к длительной ионизации между слитком-электродом и кристаллизатором, что создает предпосылки для возникновения взрывоопасной ситуации и приводит к неравномерному, однобокому, дефектному проплавлению боковой поверхности выплавляемого слитка. Дефектные зоны металла удаляются механической обработкой, при этом снижается выход годного до 4% и увеличивается расход режущего инструмента.

Целью предлагаемого изобретения является организация стабильного технологического процесса получения качественных слитков с гарантированным отсутствием тугоплавких включений, удовлетворяющих требованиям аэрокосмической промышленности, снижение трудоемкости и повышение производительности производства.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является исключение из технологического процесса операций изготовления оборотного огарка и его приварки к слитку-электроду перед вторичной ВДП, что позволяет исключить трудоемкие операции, при которых возможно попадание в металл дефектных включений.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе получения слитков, включающем получение при первом переплаве в гарнисажной печи расплава и формирование из него в изложнице цилиндрического слитка-электрода, который используется для второго переплава в вакуумной дуговой печи, в изложнице гарнисажной печи формируют монолитный слиток-электрод, состоящий из цилиндрической части и хвостовика, а оставшийся после вакуумного дугового переплава огарок в виде оборотного металла используют в составе шихты в гарнисажной плавке.

В предлагаемом способе по сравнению с прототипом, где используется аналогичная схема изготовления слитков, достигаются те же вышеперечисленные преимущества:

- не требуется вспомогательного оборудования для получения расходуемого электрода при первом переплаве;

- удаление летучих примесей и тугоплавких включений при плавке ГРЭ;

- возможность выплавления сплавов, содержащих летучие элементы без дополнительной подшихтовки,

- нет необходимости измельчения отходов при первом переплаве;

- возможность плавления губки без предварительной подготовки;

- получение после второго переплава в ВДП слитка с плотной, мелкозернистой, однородной структурой.

Но в отличие от прототипа предлагаемое изобретение имеет следующие преимущества:

- снижается трудоемкость изготовления слитка за счет исключения операций изготовления оборотного огарка, его приварки к слитку-электроду после первого переплава, вспомогательной ВДП для удаления "блина";

- повышение стабильности процесса изготовления слитков, гарантированное повышение их качества путем исключения технологической операции приварки оборотного огарка к торцу слитка-электрода, полученного при первом переплаве, в процессе которой образуются дефектные включения;

- повышение выхода годного на 4-6% вследствие улучшений условий центрирования при ВДП, уменьшения объема недоплавленного участка "блина" в два и более раз.

По предлагаемому способу на гарнисажной печи ДТВГ-4ПФ получены слитки-электроды диаметром 640 мм, которые переплавлены на вакуумной дуговой печи ДТВ 8,7 - Г10 и получено 6 качественных слитков диаметром 750 мм массой по 4 т сплава 4V6A1. С учетом однородности и монолитности всей массы слитка-электрода высоту оставляемого "блина" сократили до 20 мм. После каждой выплавки оборотный огарок выгружался из печи и загружался очередной, полностью подготовленный для закрепления и переплава слиток - расходуемый электрод.

Затем из слитков были изготовлены прутки по типовой технологии и проведены контрольные операции с использованием УЗК. Для обнаружения дефектов типа включений применяли ультразвуковой контроль (УЗК) деформированного металла. В настоящее время наиболее разработан УЗК прутков, поэтому эффективность предотвращения образования дефектов при выплавке слитков оценивали по результатам УЗК прутков, что соответствует международной практике. Кроме того, для выявления включений большей плотности применяли рентгеноконтроль на просвечивание. Дефектов в виде включений выявлено не было.

Предлагаемый новый способ получения слитков позволяет исключить из технологического процесса операции, создающие предпосылки для загрязнения металла тугоплавкими включениями, на 35% увеличить производительность печей ВДП второго (окончательного) переплава, на 4-6% увеличить выход годного металла. Соответственно, снижается доля образующихся отходов и, следовательно, сокращаются затраты по их переработке.

Поэтому данный способ является перспективным по сравнению с аналогом и прототипом, а его использование целесообразно для применения в промышленности.

Способ получения слитков, включающий получение при первом переплаве в гарнисажной печи расплава и формирование из него в изложнице цилиндрического слитка-электрода, который используют при втором переплаве в вакуумной дуговой печи, отличающийся тем, что в изложнице гарнисажной печи формируют монолитный слиток-электрод, состоящий из цилиндрической части и хвостовика, а оставшийся после вакуумного дугового переплава огарок в виде оборотного металла используют в составе шихты в гарнисажной плавке.