СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СПЛАВА ХН33КВ
METHOD FOR SMELTING KHN33KV ALLOY

1. Область техники
Изобретение относится к области специальной металлургии, конкретно к способам выплавки сплавов на основе никеля с высоким содержанием вольфрама (более 14%), предназначенных для изготовления деталей, применяемых в авиационной и других отраслях промышленности.
2. Предшествующий уровень техники
Известен «Способ получения легированного сплава, содержащего тугоплавкие металлы вольфрам и молибден технологией жидкофазного восстановления» (патент RU 2135611, кл. С22В 5/10, С22В 4/06, С22В 34/30, опубл. 27.08.1999 г.), включающий подачу кислородсодержащего газа в шлаковый расплав, разделение гетерогенного расплава на верхнюю барботируемую и нижнюю спокойную, состоящую из слоя спокойного шлака и слоя металла, части, подачу окисленного сырья, углеродсодержащего топлива и флюсующих материалов. Недостатком технического решения являются высокие материальные и энергетические затраты на получение в сплаве требуемого содержания вольфрама.
Известен «Способ производства вольфрамсодержащей стали и сплавов» (патент RU 2282668, кл. С21С 5/52, опубл. 27.08.2006 г.), включающий получение жидкого металла, легирование его путем подачи окисленного сырья, содержащего вольфрам, флюсующего материала и восстановителя на предварительно очищенную от шлака поверхность жидкого металла, при этом в качестве окисленного сырья, содержащего вольфрам, используют отходы заточки инструмента, сформированные в брикеты совместно с флюсующим материалом и выбранным в качестве восстановителя 15%-ным силикокальцием, причем отходы заточки инструмента, флюсующий материал и 15%-ный силикокальций взяты в количестве, выбранном из соотношения (3,9-4,1):(1,9-2,1):(1,0-1,2) соответственно. Недостатком технического решения является отсутствие эффективных операций для исключения ликвации вольфрама и невозможность обеспечения достаточной однородности структуры сплава и химического состава по высоте слитка.
Известен «Способ получения полуфабрикатов из жаропрочного сплава Х25Н45 В30» (патент RU 2719051, кл. C22F 1/10, С22В 9/20, опубл. 16.04.2020 г.). Способ включает выплавку шихтовых материалов дуплекс-методом ВИП+ЭЛП путем вакуумно-индукционного переплава шихтовых материалов, содержащих кондиционные технологические отходы возврата собственного производства и лигатуру никель-вольфрам, с последующей разливкой сплава в горизонтальные изложницы с получением электродов и их электронно-лучевого переплава в слитки, механическую обработку их поверхностей с удалением поверхностного слоя на глубину 5-7 мм и проводят деформацию слитка за один или более передел. К недостатку способа можно отнести значительные трудозатраты, связанные с необходимостью использования электроннолучевого переплава.
Известен также, принятый заявителем за наиболее близкий аналог, «Способ выплавки вольфрамсодержащей стали и сплавов» (авторское свидетельство SU 581151, кл. С21С 5/25, опубл. 25.11.1977 г.), включающий введение в жидкую ванну вольфрамсодержащей лигатуры совместно с активным восстановителем, последующую кислородную продувку и рафинирование металла, причем один из компонентов комплексного восстановителя при взаимодействии с окислами шлака и кислородом, растворенным в металле, образует газообразный продукт реакции. К недостаткам способа можно отнести трудности в управлении процессом легирования, непопадание в заданные пределы по химическому составу легирующего элемента и, следовательно, ухудшение качества металла.
3. Сущность изобретения
3.1. Постановка технической задачи
Освоить технологию выплавки сплавов на основе никеля с высоким содержанием вольфрама (более 14%), при этом исключить ликвацию вольфрама и обеспечить однородность структуры сплава и химического состава по высоте слитка, а также экономию дорогостоящих и дефицитных шихтовых материалов, при выплавке.
Результат решения технической задачи
Задача решена путем вовлечения никель-вольфрам-хромовой (Ni-W-Cr) лигатуры, полученной путем сплавления в индукционной печи электролитического никеля, хрома металлического и полуфабриката (стружки) вольфрама. При этом в Ni-W-Cr лигатуре обеспечивается получение содержания вольфрама 20-30% и хрома 20-25%, что дает возможность ее использования при выплавке марочного металла взамен вольфрама металлического, без ухудшения качества металлопродукции.
3.2. Отличительные признаки
В отличии от известного технического решения, включающего введение в жидкую ванну вольфрамсодержащей лигатуры совместно с активным восстановителем, последующую кислородную продувку и рафинирование металла, в заявленном техническом решении при подготовке шихтовых материалов осуществляют предварительную выплавку в открытой индукционной печи и разливку в слитки никель-вольфрам-хромовой лигатуры с содержанием вольфрама 20-30% и хрома 20-25%, при использовании никеля электролитического, хрома металлического и до 30% стружки вольфрама, которую в количестве до 50% задают на выплавку марочного сплава в вакуумной индукционной печи в составе шихтовых материалов вместе с кобальтом, молибденом, ниобием, хромом и никелем.
При этом предварительную выплавку никель-вольфрам-хромовой лигатуры осуществляют в открытой индукционной печи. В качестве шихтовых материалов используют никель электролитический по качеству не хуже марки Н-1у, металлический хром и стружку вольфрама, в качестве шлакообразующих применяют известь и свежий флюс марки АНФ. После расплавления завалки (шихты) при температуре расплава (1530-1580)°С металл перемешивают и проводят раскисление шлака алюминиевой крупкой в течение 8-15 минут. Затем снимают шлак и при температуре (1540-1600)°С производят выпуск металла в атмосфере инертного газа в разливочную керамическую форму, предварительно просушенную при температуре не менее 300°С в течение не менее двух часов.
Выплавку марочного сплава в вакуумной индукционной печи осуществляют с использованием электромагнитного перемешивания (ЭМП): после полного расплавления шихтовых материалов (никель, хром, кобальт, молибден, ниобий) при температуре расплава (1500-1550)°С и присадок строго рассчитанных микродобавок (магний, церий, лантан).
Далее осуществляют разливку марочного металла в вакууме при температуре (1530-1580)°С в изложницы через разливочный желоб с установленными в нем, как минимум, двумя перегородками, для отсечки шлака, и пенокерамическим фильтром.
4. Описание изобретения
Особенности плавки тугоплавких сплавов определяются высокой химической активностью металлов и сплавов при высоких температурах и особенно в жидком состоянии. Для предотвращения насыщения сплавов примесями из газовой атмосферы плавку ведут в вакууме. Шихта, используемая для плавки тугоплавких сплавов, в большинстве своем содержит в недопустимых количествах примеси, поэтому процесс плавки должен осуществляться таким образом, чтобы рафинирование металла происходило в процессе его плавления.
Когда основной сплав и легирующий элемент значительно различаются по температуре плавления, особенно востребовано использование лигатур. За счет содержания в лигатурах не только собственно легирующих компонентов, но и основного металла сплава, их усвоение расплавом происходит в более полном объеме, чем при легировании чистыми элементами. А благодаря тому, что любой лигатуре присуща меньшая температура плавления в сравнении с каждым из входящих в нее металлов, достаточно высока и быстрота ее растворения в основном сплаве.
В заявленном техническом решении на стадии подготовки шихтовых материалов на выплавку марочного сплава осуществляют предварительную выплавку никель-вольфрам-хромовой лигатуры, при этом последовательно выполняют следующие действия:
- выплавка никель-вольфрам-хромовой лигатуры в открытой индукционной печи с использованием в качестве шихтовых материалов никеля электролитического по качеству не хуже марки Н-1у, металлического хрома и стружки вольфрама, обеспечивающей в металле расчетное содержание вольфрама в пределах 20-30% и хрома 20-25%. Для лигатуры данного химического состава температура ликвидус составляет не более 1500°С. В качестве шлакообразующих применяют известь и свежий флюс марки АНФ. Увеличение в лигатуре содержания вольфрама более 30% приводит к значительному росту температуры ликвидус более 1700°С.
- после расплавления завалки (шихты) при температуре расплава (1530÷1580)°С металл перемешивают и проводят раскисление шлака алюминиевой крупкой в течение 8-15 минут. Затем снимают шлак и при температуре (1540÷1600)°С производят выпуск металла в атмосфере инертного газа в разливочную керамическую форму, предварительно просушенную при температуре не менее 300°С в течение не менее двух часов.
Далее осуществляют формирование завалки и выплавку марочного металла сплава в вакуумной индукционной печи, при этом:
- в шихте предусматривается использование до 60% от веса завалки кондиционных технологических отходов возврата собственного производства, в том числе частичная замена отходов лигатурой никель-вольфрам-хром (20-30% вольфрама, 20-25% хрома, остальное никель) в количестве до 50%, для исключения значительного перегрева металла, повышения усвоения и равномерного распределения вольфрама по объему расплава.
-3
- вакуумная индукционная выплавка марочного сплава осуществляется на вакууме не выше 25×10 мм.рт.ст. После полного расплавления шихтовых материалов (никель, кобальт, молибден, ниобий) при температуре расплава (1500-1550)°С, с целью растворения тугоплавких материалов, производят выдержку в течение 10-15 минут с подключением электромагнитного перемешивания (ЭМП) металла на 2-7 минут.
- введение в расплав строго рассчитанных микродобавок магния, церия, лантана на 0,03% по расчету для нейтрализации вредного влияния серы, содержание которой даже при ничтожных концентрациях, порядка тысячных долей процента, резко ухудшает деформируемость марочного металла. После усвоения последней присадки производят подключение ЭМП металла на 1-3 минуты.
- разливка марочного металла в вакууме при температуре (1530-1580)°С в изложницы через разливочный желоб с установленными в нем, как минимум, двумя перегородками, для отсечки шлака, и пенокерамическим фильтром.
Предложенный способ выплавки вольфрамсодержащих сплавов позволяет снизить стоимость производства без потери качества металлопродукции, сэкономить дорогостоящие и дефицитные шихтовые материалы (металлический вольфрам). Использование в составе завалки на выплавку марочного металла до 50% никель-вольфрам-хромовой лигатуры позволяет исключить ликвацию вольфрама, гарантирует выполнение требований по химическому составу, а также обеспечивает стабильность химического состава от плавки к плавке.
5. Пример выполнения (реализация способа)
Техническое решение опробовано в производственных условиях на марке ХН33КВ.
В 1-тонной открытой индукционной печи выплавили одну плавку никель-вольфрам-хромовой лигатуры с использованием никеля электролитического, хрома металлического и стружки вольфрама, в количестве до 30% от веса завалки. Разливку металла произвели в атмосфере инертного газа в разливочную керамическую форму, предварительно просушенную при температуре не менее 300°С в течение не менее двух часов. В таблице 1 приведен химический состав выплавленной никель-вольфрам-хромовой лигатуры.
Выплавленную никель-вольфрам-хромовую лигатуру использовали на выплавку в вакуумной индукционной печи марочного металла сплава ХНЗЗКВ. Плавки осуществляли с применением электромагнитного перемешивания после полного расплавления шихтовых материалов и присадок строго рассчитанных микродобавок. Разливку марочного металла выполнили в вакууме в изложницы через разливочный желоб с установленными в нем, как минимум, двумя перегородками, для отсечки шлака, и пенокерамическим фильтром. Химический состав плавок сплава ХНЗЗКВ, выплавленных с использованием никель-вольфрам-хромовой лигатуры, приведен в таблице 2.
Таки образом, заявленное техническое решение опробовано в производственных условиях на АО «Металлургический завод «Электросталь» с положительным результатом.
Предложенный способ выплавки позволяет снизить стоимость производства без потери качества металлопродукции, сэкономить дорогостоящие и дефицитные шихтовые материалы (металлический вольфрам). Использование в составе завалки на выплавку марочного металла сплава ХН33КВ до 50% никель-вольфрам-хромовой лигатуры позволяет исключить ликвацию вольфрама, гарантирует выполнение требований по химическому составу, а также обеспечивает стабильность химического состава от плавки к плавке.