Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКОВ

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.

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.

Наиболее распространенным технологическим способом производства сплавов для аэрокосмической техники является двойной вакуумный дуговой переплав (ВДП) или тройной ВДП прессованных электродов (Гармата В.А. Металлургия титана. М., Металлургия, 1968, с.445-448).

Недостатком способа являемся 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.

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.: Изд-во "Металлургия", 1994 г., стр.224-230) - прототип.

Гарнисажная печь относится к категории вакуумных дуговых печей с расходуемым электродом для переплава титана и титановых отходов, а также для производства слитков различных сечений. В отличие от печей ВДП (вакуумного дугового переплава) гарнисажная печь не требует другой печи или пресса для получения расходуемого электрода, поскольку новый электрод наряду со слитком получается в каждом плавильном цикле. В отличие от большинства электронно-лучевых печей в гарнисажной печи можно плавить сплавы со сравнительно летучими элементами (например, алюминием, хромом), а в отличие от плазменных дуговых - в ней можно плавить губку.

В процессе гарнисажной плавки создается и достаточно продолжительное время поддерживается ванна расплава. 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 плавки в гарнисажной печи в том, что плавка расплава происходит в промежуточном водоохлаждаемом тигле, при этом надежное и постоянное от плавки к плавке количество сливаемого металла может быть достигнуто в том случае, если ванна жидкого металла к моменту окончания плавления достаточно велика и превышает вес формируемого слитка, по крайней мере, в 1,5 раза. Водоохлаждаемый тигель является одной из наиболее сложных частей печи, геометрические размеры и масса которого зависят от размещенной в нем массы расплава. На практике масса тигля в 8-12 раз превосходит массу расплава. Слив металла производится поворотом тигля. Это очень ответственная и скоротечная операция, что вызвано высоким уровнем тепловых потерь жидкого металла и сравнительно низким его удельным теплосодержанием. Данное противоречие может быть преодолено только форсированием скорости литья. На практике большие габаритно-весовые характеристики тигля с залитым в нем расплавом позволяют выплавлять слитки массой, не превышающей 6 т. В тоже время в вакуумных дуговых печах возможна выплавка слитков массой 12 т и более. Крупногабаритные штамповки, изготовленные из слитков массой более 6 т, используются в конструкциях широкофезюляжных самолетов.

Целью предлагаемого изобретения является получение слитков тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов повышенной массы по технологической схеме, где выплавка слитка-электрода производится в дуговой гарнисажной печи, а финишная плавка - в вакуумной дуговой печи.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является повышение массы выплавляемых слитков на стандартном оборудовании, при сохранении качества слитков, соответствующих требованиям аэрокосмической техники.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе получения слитков в виде расходуемых электродов для финишной плавки в вакуумной дуговой печи, включающем расплавление тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов в тигле гарнисажной печи, слив расплава в изложницу и формирование расходуемого электрода, при этом формируют расходуемый электрод повышенной массы за несколько последовательных плавок в гарнисажной печи, причем первый расплав сливают в изложницу меньшего диаметра, а полученный слиток при последующей плавке устанавливают в изложницу большего диаметра и заполняют расплавом образующуюся полость.

Сравнивая предлагаемый способ с прототипом, где используется аналогичная схема изготовления слитков, сохраняются те же 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 позволяет получать качественные слитки тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов, которые затем используются для финишной плавки в качестве расходуемых электродов массой в два раза и более больше. Единственным ограничением массы получаемых слитков являются возможности вакуумных дуговых печей (в настоящее время успешно эксплуатируются печи, на которых выплавляются слитки массой 15-25 т). Таким образом, достигается баланс оборудования по массе выплавляемых слитков в технологической цепи гарнисажная печь-вакуумная дуговая печь. Следствием этого является существенное расширение возможности стандартного оборудования, находящегося в эксплуатации длительное время и хорошо освоенного промышленностью

По предлагаемому способу на гарнисажной печи ДТВГ-4ПФ получен слиток-электрод массой 10,8 т сплава 4V6A1 за две плавки. Первый слиток был сформирован в изложницы диаметром 550 мм, который был установлен в изложницу диаметром 840 мм и залит расплавом, полученным при второй плавке. Слиток был переплавлен в вакуумной дуговой печи ДТВ 8,7-Г10.

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, и позволяет производить на гарнисажной печи слитки-электроды для последующего вакуумного дугового переплава без ограничения их размеров.

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