СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКОВ Российский патент 2002 года по МПК C22B9/20 

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при получении слитков из титановых сплавов.

Выбор технологической схемы получения слитков зависит от их назначения и требований к качеству изготавливаемых из них полуфабрикатов. Для основной массы слитков главное требование - чистота металла от внутренних дефектов (раковины, пустоты, поры), а также однородность химического состава и экономичность процесса получения слитков.

Известен способ получения слитков титановых сплавов диаметром 650-850 мм, включающий порционное прессование расходуемого электрода из сыпучих компонентов в виде одного блока и его дальнейший двойной вакуумно-дуговой переплав с воздействием на зону плавления и кристаллизации пульсирующим магнитным полем (Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. Отв. редактор В.В. Добаткин. М., Металлургия, 1978, с. 265-306 [1]) - прототип.

Плавление расходуемого прессованного электрода на больших токах дуги (25 кА) приводит к ликвации легкоплавких элементов типа железа от донника к литнику, которые затем невозможно ликвидировать последующим переплавом. При втором переплаве слиток первого переплава приваривается к огарку донником. Вследствие чего легкоплавкие элементы выплавляются из усадочной раковины и пор на поддон и сразу кристаллизуются. Здесь же кристаллизуется жидкий металл выплавляемого сплава. Содержание железа достигает 2,2-3,0%, что существенно снижает выход годного выплавляемых слитков (в брак уходит 150-350 мм от нижнего торца слитка).

Кроме того, плавление прессованного электрода при значительном дуговом зазоре между торцом электрода и ванной жидкого металла приводит к разбрызгиванию жидкого металла и росту гарнисажа ("короны") до 400-800 мм, который при оплавлении разрушается и падает в ванну жидкого металла, создавая тем самым неоднородный по химическому составу объем в слитке, который трудно ликвидировать последующими переплавами.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение выхода годного выплавляемых слитков за счет уменьшения литейных дефектов и снижения ликвации легкоплавких элементов типа железа.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения слитков преимущественно титановых сплавов, после наведения ванны жидкого металла на поддоне высотой 150-200 мм объем жидкого металла на протяжении всего процесса плавления уменьшают за счет снижения силы тока дуги до 7-10 кА и уменьшения величины дугового зазора до 25-30 мм. При этом ток дуги снижают или согласно выражению: I_g = I_max•e^-τ, где I_max - максимальный ток дуги, кА; τ - время плавления электрода, ч; или ступенчато, при этом количество ступеней не менее трех. На боковой поверхности электрода выполняют метки в виде продольных приваренных пластин толщиной 5-10 мм, а процесс плавления электрода ведут до появления меток. Выведение усадочной раковины осуществляют при воздействии на дугу знакопеременным магнитным полем без видимого движения расплава. Переплав электрода ведут на обратной полярности и на подложку высотой 50-150 мм из сплава, который выплавляют.

После сплавления прессованного электрода на дисплее прибора визуального контроля процесса плавки появляется светлое пятно (метка), определяющая начало режима выведения усадочной раковины (ВУР). При этом пульсирующее магнитное поле переключают на знакопеременное магнитное поле (20-40 Э), что позволяет исключить отрицательное воздействие вращения жидкого металла, создаваемое пульсирующим магнитным полем, и уменьшить ликвацию легирующих элементов в литниковой части электрода.

Для исключения роста "короны" и падения ее в ванну жидкого металла плавление расходуемого электрода ведут на обратной полярности. При этом "корона" практически не образуется.

Примеры конкретного выполнения.

Плавление прессованных расходуемых электродов осуществляли в вакуумной дуговой электропечи ДТВ-8,7-Г10.

Пример 1. Переплавляли прессованный расходуемый электрод массой 5000 кг титанового сплава Вт15. На боковой поверхности электрода была приварена титановая пластина длиной 1000 мм, толщиной 5 мм - продольная метка - для определения момента выведения усадочной раковины (ВУР). Электрод загрузили в кристаллизатор диаметром 705 мм, отцентровали и приварили к электрододержателю (огарку). Для предохранения поддона от подплавления разведение ванны жидкого металла начинали на подложку в виде темплета высотой 120 мм, диаметром 670 мм из выплавляемого сплава Вт15.

После всех подготовительных операций печь вакуумировали, включили источник питания печи на обратную полярность (электрод - плюс, поддон - минус) и установили: ток дуги - 5 кА, дуговой зазор - 30 мм. После прогрева торца электрода ток дуги плавно увеличивали на 5 кА (10 кА, 15 кА) и прогревали на каждой ступени по 5 минут. После разведения ванны жидкого металла на поддоне (заплавления темплета), ток дуги плавно увеличили до 25 кА, дуговой зазор равнялся 85 мм. Включили соленоид (ток 5 А). После наплавления слитка высотой 150 мм ток дуги начали ступенчато снижать: сначала уменьшили до 18 кА, затем через 3,5 ч ток уменьшили до 12 кА, через 1 ч - до 10 кА. Еще через 1 ч плавки при появлении светящегося пятна (метки) перешли на режим ВУР (плавное снижение тока по 0,5 кА в течение 1 ч). При этом источник питания соленоида переключили с пульсирующего тока на знакопеременный ток (магнитное поле). Одновременно уменьшили дуговой зазор до 25 мм. После окончания ВУР печь отключили при токе дуги 2,5 кА. Слиток остывал в вакуумной печи 3 ч. Выплавленный слиток подготовили и переплавили в кристаллизатор диаметром 770 мм при силе тока дуги 12 кА на прямой полярности.

Полученный слиток второго переплава был хорошего качества, выход годного увеличился на 2% за счет снижения ликвации и уменьшения литейных дефектов в слитке первого переплава.

Пример 2. Переплавляли прессованный расходуемый электрод массой 3800 кг титанового сплава Ti₁₀V₂Fe₃Al на прямой полярности. Отличие заключается в том, что силу тока дуги уменьшали с помощью компьютера согласно выражения: I_g = I_max•e^-τ, где I_max=20 кА, τ=8 ч. Величину дугового зазора также уменьшали с помощью компьютера в зависимости от силы тока дуги. При появлении на экране светящегося пятна (метки) на торце электрода перешли на режим ВУР (1 ч). После остывания слитка в печи (3 ч) его обработали и повторно переплавили в кристаллизатор диаметром 770 мм при силе тока дуги 16 кА.

Полученный слиток соответствовал требованиям заказчика, выход годного увеличился на 2,5% за счет снижения ликвации и литейных дефектов в слитке первого переплава.

Предлагаемый способ получения слитков преимущественно титановых сплавов позволяет ликвидировать ликвацию легирующих элементов типа железа, кислорода и т. п. за счет уменьшения объема ванны жидкого металла и поддержания ее в квазистационарном состоянии путем уменьшения силы тока дуги и величины дугового зазора, что исключает преждевременную объемную кристаллизацию слитка и образование литейных дефектов типа усадочных раковин, пор. Плавление прессованного электрода предлагаемым способом позволяет ликвидировать образование "короны", снижающей качество слитка. Предлагаемый способ позволяет повысить на 2,0-2,5% выход годного выплавляемых слитков второго переплава.

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано при получении слитков высоколегированных титановых сплавов путем вакуумного дугового переплава расходуемых прессованных электродов. В предлагаемом способе после наведения ванны жидкого металла на поддоне высотой 150-200 мм объем жидкого металла на протяжении всего процесса плавления уменьшают за счет снижения силы тока дуги до 7-10 кА и уменьшения величины дугового зазора до 25-30 мм. Способ позволяет повысить выход годного выплавляемых слитков за счет уменьшения литейных дефектов и снижения ликвации легирующих элементов. 7 з.п. ф-лы.

1. Способ получения слитков, включающий подготовку прессованного расходуемого электрода к вакуумному дуговому переплаву, начальный период плавки - наведение ванны жидкого металла на поддоне, основной период плавки, окончание процесса плавления - выведение усадочной раковины, регулирование силы тока, дуги и величины дугового зазора, воздействием на зону плавления и кристаллизации магнитным полем, отличающийся тем, что после наведения ванны жидкого металла на поддоне высотой 150-200 мм объем жидкого металла на протяжении всего процесса плавления уменьшают за счет снижения силы тока дуги до 7-10 кА и уменьшения величины дугового зазора до 25-30 мм. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ток дуги снижают по следующему выражению: I_g = I_max•e^-τ, где I_max - максимальный ток дуги в начале плавления электрода, кА; τ - время плавления электрода, ч. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ток дуги снижают ступенчато, причем количество ступеней не менее трех. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на боковой поверхности электрода выполняют метки в виде продольных приваренных пластин толщиной 5-10 мм. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что выведение усадочной раковины осуществляют при воздействии на дугу знакопеременным магнитным полем без видимого движения расплава. 6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что переплав электрода ведут на обратной полярности. 7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что переплав электрода осуществляют на подложку высотой 50-150 мм. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что слитки получают путем переплава титановых сплавов.