Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СПЛАВОВ НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ

1. Область техники

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к способам получения низколегированных сплавов на медной основе, предназначенных для изготовления различных деталей, подвергаемых при эксплуатации значительным механическим и электротермическим нагрузкам. Способ включает изготовление расходуемого электрода из шихтовых материалов, формирование слитка путем электрошлакового переплава одинарного электрода в кристаллизатор на поддон, и его деформацию с получением заготовки, при этом расходуемый электрод изготавливают путем расплавления шихтовых материалов в открытой индукционной печи в графитовом тигле с использованием солевого флюса и последующей разливкой расплава в защитной атмосфере инертного газа, электрошлаковый переплав расходуемого электрода ведут управляя массовой скоростью наплавления слитка в защитной атмосфере инертного газа в кристаллизатор диаметром 300-500 мм, на поддон по центру устанавливают одну затравку, далее проводят деформацию слитка до конечного размера заготовки. Способ позволяет получить слиток без дефектов поверхности, с однородной структурой, без инородных включений и обеспечить технологичность дальнейшего передела.

2. Предшествующий уровень техники

Известен «Способ получения высококачественной меди вакуумной дуговой плавкой» (Патент RU 2156822 (С22В 15/14), 1999), включающий плавку медных катодов в графитовом тигле нерасходуемым графитовым электродом при удельной мощности электрической дуги в пределах 4⋅10⁶ - 6⋅10⁶ Вт на 1 м² внутреннего поперечного сечения тигля в течение времени, продолжительность которого определяют по выражению: 8,1cth/10^-9⋅q≤τ≤8,9cth/10^-9⋅q, где cth - функция гиперболического котангенса; τ - продолжительность плавки, с; q - удельная мощность электрической дуги, Вт/м². Недостатком данного способа является невозможность обеспечения высокой однородности наплавляемого слитка по его высоте из-за одновременного протекания процессов плавления и кристаллизации.

Известен «Способ получения слитка» (Патент RU 2171854 (С22В 9/18), 1999). Способ включает электрошлаковый переплав расходуемого электрода и формирование слитка в неподвижный водоохлаждаемый кристаллизатор в виде усеченного конуса, причем диаметр верхнего основания составляет 0,85-0,98 диаметра нижнего основания, а высота кристаллизатора составляет 3-7 диаметров нижнего основания. Недостатком известного технического решения является низкое качество слитка и низкая стабильность процесса электрошлакового переплава.

Известен «Способ электрошлакового переплава компактных материалов» (Патент RU 2152447 (С22В 9/18), 1999), включающий изготовление из отходов производства заготовок, получение из них расходуемых электродов, ввод флюса, плавление расходуемого электрода и формирования слитка. Недостатком известного технического решения является низкое качество слитка, получаемого электрошлаковым переплавом компактных отходов меди и ее сплавов.

Известен «Способ получения слитков из меди и ее сплавов» (Патент RU 2309996 (С22В 9/20, С22С 9/00), 2005), в котором расходуемый электрод приваривают дугой к огарку, соединенному с электрододержателем, непосредственно в камере печи, проводят оценку качества приварки, вакуумирование печи и последующий вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода в кристаллизатор. К недостатку способа можно отнести высокую стоимость и трудозатраты, а также ненадежную сварку огарка и расходуемого электрода, возникает опасность обрыва электрода во время плавки.

Известен также, принятый заявителем за наиболее близкий аналог, «Способ получения заготовки из меди и ее сплавов» (Патент RU 2247162 (С22В 9/18, С22В 15/00), 2004). Способ включает изготовление расходуемого электрода из шихтовых материалов, его электрошлаковый переплав в кристаллизатор на поддон, формирование слитка и его деформацию с получением заготовки, при этом расходуемый электрод изготавливают путем расплавления шихтовых материалов в 6-12-тонном тигле в вакуумной индукционной печи, электрошлаковый переплав расходуемого электрода ведут в кристаллизатор диаметром 500-700 мм, при этом электрический режим переплава выбирают в зависимости от диаметра кристаллизатора, на поддон устанавливают семь затравок, одну - по центру и шесть - по периферии у стенки кристаллизатора, и производят рассредоточение электрического контакта на затравки, а после деформации заготовку охлаждают на воздухе. Недостатком известного способа является отсутствие эффективных операций, обеспечивающих однородность структуры наплавленного слитка, низкий уровень газонасыщенности и исключение появления поверхностных дефектов.

3. Сущность изобретения

3.1. Постановка технической задачи и результат решения

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение плотного слитка из низколегированного сплава на медной основе без дефектов поверхности, с однородной структурой, без инородных включений для обеспечения технологичности дальнейшего передела.

Решение задачи достигается электрошлаковым переплавом расходуемого электрода, полученного выплавкой в открытой индукционной печи с графитовым тиглем, с применением солевого флюса, и последующей разливкой расплава в защитной атмосфере инертного газа, при этом переплав ведут по массовой скорости наплавления слитка в зависимости от диаметра кристаллизатора, с использованием легкоплавкого флюса системы CaF₂ - Na₃[AlF₆] - NaF и защитой шлаковой ванны аргоном в течение всей плавки, причем на поддон по центру устанавливают одну затравку, после чего проводят деформацию наплавленного шлакового слитка до конечного требуемого размера заготовки.

3.2. Отличительные признаки

В отличие от известного технического решения, включающего изготовление расходуемого электрода, формирование слитка путем электрошлакового переплава одинарного электрода в кристаллизатор на поддон, и его деформацию с получением заготовки; в заявленном техническом решении расходуемый электрод изготавливают путем расплавления шихтовых материалов в открытой индукционной печи в графитовом тигле с использованием солевого флюса и последующей разливкой расплава в защитной атмосфере инертного газа, электрошлаковый переплав расходуемого электрода осуществляют в кристаллизатор диаметром 300-500 мм, при этом на поддон по центру устанавливают одну затравку и выбирают режим переплава в зависимости от диаметра кристаллизатора, далее проводят деформацию слитка до конечного размера заготовки.

Использование графитового тигля при выплавке в открытой индукционной печи позволяет за счет его нагрева более эффективно вести плавку. Кроме того, графитовая футеровка является более инертной к компонентам медного расплава, чем традиционно используемые керамические огнеупоры, что позволяет стабилизировать усвоение элементов (хром, никель, титан, цирконий).

При этом завалку открытой индукционной печи формируют с использованием отходов меди, предварительно механически очищенной и измельченной до размеров кусков, обеспечивающих относительно плотную завалку печи без значительных ударов по поверхности графитового тигля.

После включения индукционной печи на расплав и по образованию жидкой ванны наводят покров из древесного угля слоем 100-150 мм и раскисляют расплав фосфористой медью, затем удаляют шлак и наводят покров из солевого флюса. При этом соотношение компонентов при подготовке солевого флюса: предварительно плавленый тетраборат натрия - 35-45% и просушенные при температуре 300-400°С АНФ-1 - 35-30% и фторид натрия - 30-25%.

Разливку полученного расплава осуществляют в защитной атмосфере инертного газа в форму при температуре металла 1280-1310°С.

Затем перед использованием изготовленного расходуемого электрода производят механическую обработку поверхности.

Электрошлаковый переплав расходуемого электрода осуществляют в кристаллизатор диаметром 300-500 мм, причем переплав ведут по массовой скорости наплавления слитка в зависимости от диаметра кристаллизатора, при этом на поддон по центру устанавливают одну затравку, на которой для облегчения разведения электрошлакового процесса размещают стружку того же состава, что и расходуемый электрод.

Наиболее высокое качество слитка обеспечивается при использовании в электрошлаковом переплаве легкоплавкого флюса системы CaF₂ - Na₃[AlF₆] - NaF.

Наплавление слитка производят с защитой шлаковой ванны аргоном в течение всей плавки с расходом аргона 50-100 л/мин, в зависимости от периода плавки.

Деформацию электрошлакового слитка до конечного размера заготовки осуществляют после его охлаждения на воздухе, механической обработки поверхности и последующего нагрева перед ковкой.

4. Описание изобретения

Известно, что электрошлаковый переплав резко повышает качество литого металла (повышаются механические характеристики, уменьшается количество вредных примесей, неметаллических включений и т.д.), поэтому часто для получения качественной заготовки используют двухстадийный процесс: изготавливают расходуемые электроды, которые затем переплавляют электрошлаковым способом.

В заявленном техническом решении расходуемый электрод изготавливают путем расплавления шихтовых материалов в открытой индукционной печи в графитовом тигле с использованием солевого флюса и последующей разливки расплава в защитной атмосфере инертного газа, электрошлаковый переплав расходуемого электрода осуществляют в кристаллизатор диаметром 300-500 мм, при этом на поддон по центру устанавливают одну затравку и выбирают режим переплава в зависимости от диаметра кристаллизатора, далее проводят деформацию слитка до конечного размера заготовки.

Выплавляют низколегированный сплав на медной основе в индукционной печи с графитовым тиглем. В качестве шихтовых материалов используют катодную медь не хуже марки M1, фосфористую медь, слитки меди, легирующие материалы и кусковые отходы.

Использование графитового тигля позволяет за счет его нагрева более эффективно вести плавку. Кроме того, графитовая футеровка является более инертной к компонентам медного расплава, чем традиционно используемые керамические огнеупоры, что позволяет стабилизировать усвоение элементов (хром, никель, титан, цирконий).

После включения печи на расплав и по образованию жидкой ванны наводят покров из древесного угля и раскисляют расплав фосфористой медью, затем удаляют шлак и наводят покров из солевого флюса с соотношением компонентов: предварительно плавленый тетраборат натрия 35÷45% и просушенные при температуре 300÷400°С АНФ-1 - 35÷30% и фторид натрия - 30÷25%.

После образования жидкоподвижного флюсового покрова и присадки необходимых компонентов выполняют разливку полученного расплава в защитной атмосфере инертного газа в форму при температуре металла 1280-1310°С.

Затем перед дальнейшим использованием изготовленного расходуемого электрода производят механическую обработку его поверхности.

Последующий электрошлаковый переплав расходуемого электрода осуществляют в кристаллизатор диаметром 300-500 мм, причем переплав ведут по массовой скорости наплавления слитка в зависимости от диаметра кристаллизатора, при этом на поддон по центру устанавливают одну затравку, на которой для облегчения разведения электрошлакового процесса размещают стружку того же состава, что и расходуемый электрод. В таблице 1 приведен электрошлаковый режим переплава изготовленного расходуемого электрода.

Наиболее высокое качество слитка обеспечивается при использовании в электрошлаковом переплаве легкоплавкого флюса системы CaF₂ - Na₃[AlF₆] - NaF.

Наплавление слитка производят с защитой шлаковой ванны аргоном в течение всей плавки с расходом аргона 50-100 л/мин, в зависимости от периода плавки.

Далее деформацию электрошлакового слитка до конечного размера заготовки осуществляют после его охлаждения на воздухе, механической обработки поверхности и последующего нагрева перед ковкой.

Использование предлагаемого способа позволяет получать слитки без дефектов поверхности, с однородной структурой, без инородных включений, что обеспечивает технологичность дальнейшего передела, а также позволяет получать слитки низколегированных сплавов на медной основе с использованием традиционных металлургических технологий.

5. Пример конкретного выполнения

Выплавку низколегированного сплава на медной основе проводили в открытой индукционной печи в графитовом тигле с использованием солевого флюса. Разливку расплава произвели в защитной атмосфере инертного газа. Электрошлаковый переплав литых расходуемых электродов осуществили в кристаллизатор диаметром 320 мм и 425 мм с защитой шлаковой ванны аргоном в течение всей плавки в соответствии с таблицей 1. Все слитки имели поверхность без дефектов. По данной технологии было выплавлено 7 слитков в кристаллизатор диаметром 320 мм, и 9 слитков - 425 мм. Проведенный химический анализ и анализ структуры показал низкую газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями всех слитков.

Далее после механической обработки поверхности шлаковые слитки подвергли горячей деформации до получения конечного размера заготовки.

Заявленное техническое решение опробовано в производственных условиях на АО «Металлургический завод «Электросталь» с положительным результатом. Данная технология обеспечивает получение плотного слитка без дефектов поверхности, с однородной структурой, без инородных включений, что обеспечивает технологичность дальнейшего передела, а также позволяет получать слитки низколегированных сплавов на медной основе с использованием традиционных металлургических технологий.