Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВАКУУМНОГО ДУГОВОГО ПЕРЕПЛАВА

Изобретение относится к области электрометаллургии и может быть использовано при выплавке высокореакционных металлов и сплавов, например титановых, методом вакуумного дугового переплава.

Известен способ вакуумного дугового переплава металлов и сплавов, включающий загрузку расходуемого электрода, укладку на поддон темплета, стружки или губки, вакуумирование, зажигание дуги и плавку расходуемого электрода. (А.Л. Андреев, Н.Ф. Аношкин и др. Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1978, с.20 [1]).

Укладка на поддон темплетов, стружки, титановой губки и зажигание на них дуги позволяет начинать плавку на больших токах, обеспечивая небольшую тепловую нагрузку на поддон.

Недостаток известного способа - низкое качество выплавляемого металла в донной части слитка, особенно при использовании в качестве защиты поддона стружки или губки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ вакуумного дугового переплава, включающий загрузку расходуемого электрода, приварку его к огарку, вакуумирование, зажигание дуги, разогрев и плавку расходуемого электрода, при котором разогрев электрода осуществляют путем постепенного увеличения силы тока и напряжения в течение 25-30 мин до рабочих параметров ([1], с.290, рис. 114, с.299) - прототип.

Постепенное увеличение тока и напряжения в начальный период плавки наряду с разогревом электрода приводят к его частичному плавлению. При этом расплавленный металл стекает на поддон отдельными каплями, которые, застывая на поддоне, образуют корку непроплавленного рыжего металла. Кроме того, медленное увеличение тока и напряжения в процессе разогрева электрода может привести к подплавлению поддона и даже к его прожогу.

Задачей изобретения является повышение качества выплавляемого металла за счет проплава донной части слитка и повышение срока эксплуатации поддона за счет снижения вероятности его поджога.

Поставленная задача решается тем, что в способе вакуумного дугового переплава металлов и сплавов, включающем загрузку и приварку расходуемого электрода, вакуумирование, зажигание дуги, разогрев электрода и его плавление, согласно изобретению разогрев и начальный период плавления электрода и его плавление осуществляют при начальных значениях длины дуги и тока дуги, обеспечивающих устойчивый диффузный режим горения дуги, поддерживают такой режим плавления до появления пленки жидкого металла по всему периметру торца электрода, после чего повышают ток дуги и напряжение до номинальных значений и продолжают плавление электрода. Начальную длину дуги определяют из соотношения: 0,3-0,4 (Д_кр-Д_эл), где Д_кр - диаметр кристаллизатора (мм), Д_эл - диаметр электрода (мм), а начальный ток дуги устанавливают пропорционально диаметру электрода: I_нач=K₁Д_эл, где K₁=(0,010-0,013) кА/мм - коэффициент пропорциональности. Кроме того, повышение тока дуги до номинального значения производят по зависимости: Δ I=К₂τ

Диффузный режим горения дуги характеризуется наличием на торце электрода большого числа независимых друг от друга быстроперемещающихся катодных пятен с автоэлектронным механизмом эмиссии. Вследствие этого вводимая тепловая мощность распределяется равномерно по всей поверхности как торца электрода, так и поддона, что ограничивает плотность теплового потока на поддон до величины, исключающей подплавление поддона. Диффузный режим горения дуги реализуется при определенных значениях тока и длины дуги для конкретного типа выплавляемого сплава и диаметра электрода. Экспериментально установлено, что для титановых сплавов диффузный режим горения дуги реализуется при начальной длине дуги L_д=0,3-0,4 (Д_кр-Д_эл) и начальном токе I_нач=K₁Д_эл. Увеличение начального тока при заданной длине дуги или уменьшение длины дуги менее 0,3 (Д_кр-Д_эл) при заданном начальном токе приводит к переходу диффузного режима горения дуги в контрагированный. Такой режим горения дуги характеризуется наличием на торце электрода малоподвижного коллективного катодного пятна, состоящего из многих пятен с термоавтоэлектронным механизмом эмиссии. Это приводит к тому, что катодная область и плазменный столб малоподвижны и локализованы в каком-то одном месте на торце электрода. Поэтому плотность теплового потока в этом месте может достичь величины, при которой произойдет поджог поддона и омеднение донной части слитка.

При диффузном режиме горения дуги тепловая мощность, поступающая на торец электрода, достаточна для образования слоя металла, нагретого до температуры плавления и занимающего все сечение торца электрода, а количество этого металла зависит от времени разогрева и физических характеристик металла (вязкости, плотности, поверхностного натяжения).

Разогрев и начальный период плавления электрода считается законченным при появлении на торце электрода пленки жидкого металла, которая хорошо видна по всему наблюдаемому периметру электрода, после чего ток дуги и напряжение увеличивают до номинальных значений.

Увеличение тока до номинального значения производят по степенной зависимости от времени Δ I=К₂τ

Увеличение напряжения на дуге связано с увеличением дугового зазора и обеспечивает снижение плотности теплового потока на поддон в процессе повышения тока и перехода диффузного режима горения дуги в контрагированный.

Поскольку при выбранном режиме повышения тока подводимая к торцу электрода тепловая энергия превышает отводимую, происходит интенсивное плавление и отекание металла на поддон, который тем самым оказывается защищен от прямого воздействия плазмы дуги. Более того, значительная тепловая энергия, вводимая в образующуюся ванну жидкого металла, обеспечивает расплавление отдельных капель и брызг, застывших ранее на поддоне.

Таким образом формируется хорошо проплавленная донная часть слитка и реализуется защита поддона от поджогов при повышении тока дуги и напряжения до номинальных значений.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Осуществляли вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода титанового сплава Вт1-0 диаметром 650 мм в кристаллизатор диаметром 770 мм. После приварки электрода, вакуумирования и зажигания электрической дуги установили начальные значения тока I_нач=7,8 кА (0,012Д_эл), длину дуги L_д=42 мм [0,35 (Д_кр-Д_эл)] и поддерживали эти параметры до появления визуально наблюдаемой пленки жидкого металла по периметру торца электрода. После этого увеличили напряжение до номинального значения 38-42 В, подняли ток до номинального значения 25 кА по зависимости (0,00016· τ ⁴) и вели процесс плавления в номинальном режиме. Полученный слиток имел качественный проплав, в том числе и донной части, подплавления поддона не наблюдалось.

Пример 2. Производили вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода титанового сплава Ti-6A1-4V диаметром 750 мм в кристаллизатор диаметром 870 мм по технологии, приведенной в примере 1, но разогрев электрода осуществляли при I_нач=9 кА; L_д=44 мм, а повышение тока до номинального (I_ном=25 кА) определяли по зависимости Δ I=0,00015· τ ⁴.

Полученный слиток имел качественный проплав, включая донную часть. Поддон без следов подплавления.

Использование предлагаемого способа вакуумного дугового переплава по сравнению с известными обеспечивает качественный проплав донной части слитка, в результате чего повышается выход годного металла. Кроме того, повышается срок эксплуатации поддона за счет выбора оптимальных параметров режима плавления, что исключает поджог поддона.