СПОСОБ ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ПЛАВКИ СЛИТКОВ
PROCEDURE FOR INGOT VACUUM-ARC MELTING

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков из титановых сплавов.
Выбор технологической схемы получения слитков зависит от их назначения и требований к качеству полуфабрикатов. Для основной массы слитков главное требование - чистота металла от внутренних дефектов, а также однородность химического состава и экономичность процесса получения слитков.
Известен способ вакуумного дугового переплава слитков титановых сплавов диаметром 650-850 мм, включающий возбуждение дугового разряда, разведение ванны жидкого металла при увеличении тока дуги до рабочей величины и процесс плавления (Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. Отв. редактор В.И.Добаткин, М., «Металлургия», 1978, с.295-306) [1] - прототип.
Процесс плавления расходуемого электрода (слитка) включает в себя начальный период плавления, заключающийся в разведении ванны жидкого металла при плавном увеличении тока дуги с 5 кА до 25-37 кА в течение 25-30 мин; основной период плавки при силе тока дуги 25-37 кА и напряжении дуги 46-50 В; заключительный период плавления - выведение усадочной раковины (ВУР), который ведут при снижении силы тока дуги в течение длительного времени с 10 кА до 1,5 кА.
Вакуумная дуговая плавка расходуемого электрода включает также процесс управления кристаллизацией слитка. Управление осуществляется непосредственным изменением вводимой в расплав энергии, распределение которой влияет на скорость плавления, а главное, на потоки в очаге расплава и, соответственно, на объем жидкой ванны.
Однако при выплавке титановых слитков диаметром 770-870 мм около границы так называемого тока «истощения дуги» - 6,5 кА (7,5-9,0 кА) управлять кристаллизацией путем уменьшения тока невозможно ввиду перехода и горения дугового разряда в режиме диффузного (объемного), без ярко выраженного анодного пятна. Любое уменьшение величины тока дугового разряда приводит к режиму выведения усадочной раковины (ВУР).
Поэтому особо важным фактором является управление движением потоков в расплаве ванны жидкого металла наплавляемого слитка путем изменения полярности источника тока дуги и воздействием на поверхность ванны жидкого металла дуговым разрядом.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение воспроизводимости процесса получения слитков с хорошо проплавленной поверхностью и минимально возможной ликвацией легирующих компонентов сплава за счет воздействия на дугу и расплав дуговым разрядом промодулированной частоты при плавлении на малых токах дуги.
Поставленная задача решается тем, что в способе вакуумной дуговой плавки слитков из титановых сплавов, включающем возбуждение дугового разряда, разведение ванны жидкого металла при увеличении силы тока дуги до рабочей величины и процесс плавления, согласно изобретению на поверхность ванны жидкого металла воздействуют дуговым разрядом промодулированной частоты. Частотную модуляцию дугового разряда осуществляют реверсивным источником тока дуги с частотой 0,1-10 Гц путем переключения его полярности. Кроме того, частотную модуляцию дугового разряда на малых токах осуществляют путем воздействия на электрическую дугу магнитным полем, создаваемым соленоидом, намотанным на кристаллизатор, и его источником тока. Для получения колебания поверхности жидкой ванны формирующегося слитка осуществляют частотную модуляцию дугового разряда магнитным полем соленоида. На поверхность ванны жидкого металла воздействуют дуговым разрядом промодулированной частоты при рабочем токе дуги при плавлении слитка.
Модуляция и создание дополнительного колебания поверхности (создание волнового движения расплава) осуществляются переключением полярности источника тока дуги с частотой 0,1-10 Гц, что исключает движение расплава, обеспечивает квазистационарный режим плавления без движения (вращения) расплава и существенно уменьшает ликвацию легирующих элементов при кристаллизации слитка. Одновременно на поверхности ванны жидкого металла промодулированным магнитным полем создаются колебания (звуковая волна) и регулируется движение расплава жидкого металла в ванне наплавляемого слитка путем изменения периода воздействия прямой или обратной полярности так, чтобы обеспечить необходимое движение расплава или уменьшить это движение до минимума за счет регулирования скорости переключения источника тока дуги.
Предлагается так воздействовать на дугу и поверхность расплава ванны жидкого металла, чтобы ликвидировать отрицательное движение потоков жидкого металла в ванне, которое приводит к ненужной ликвации легирующих компонентов, ухудшая качество слитков по химическому составу. Меняя направление тока дуги с различной частотой переключения источника тока дуги, можно получить плавку практически в квазистационарном режиме, т.е. свести на нет отрицательное движение расплава. Кроме того, волновое движение расплава на поверхности ванны жидкого металла наплавляемого слитка приводит к качественному проплаву поверхности слитка и, как результат, повышается выход годного металла и снижаются трудозатраты.
Использование знакопеременного магнитного поля с указанными параметрами обеспечивает снижение движения расплава в ванне жидкого металла наплавляемого слитка и уменьшает ликвацию при его кристаллизации. Управление движением электрической дуги по зеркалу ванны жидкого металла приводит к улучшению проплава боковой поверхности выплавляемого слитка.
Примеры осуществления способа
д
сл
д
сл
Пример 1. Плавление слитка диаметром 870 мм, массой 5050 кг из титанового сплава 10V2Fe3Al осуществляли в вакуумной дуговой электропечи ДТВ-8,7-Г10 из литого расходуемого электрода диаметром 800 мм, полученного в вакуумной гарнисажной печи, на торце которого было выполнено кольцо толщиной 25 мм, высотой 35 мм. Второй переплав осуществляли следующим образом. Литой электрод литниковой частью помещали на поддон кристаллизатора вакуумной дуговой электрической печи, оснащенной реверсивным источником питания электрической дуги. Для предохранения медного поддона от поджога была установлена подложка в виде темплета диаметром 890 мм, толщиной 80 мм из сплава выплавляемого слитка. Затем производили нагрев нижнего торца электрода по следующей схеме: силой тока дуги 10 кА обратной полярности (подложка - катод, расходуемый электрод - анод) в течение 30 минут. Затем ток дуги плавно в течение 30 мин увеличивали до 25 кА и плавили на этом токе в течение 10 мин. При этом высота наплавленного слитка составила 265 мм. Затем плавно ток дуги снижали каждую минуту на 0,2 кА до рабочей величины 10 кА. Снижение производили в течение 90 мин. За это время сплавили усадочные раковины в литом электроде, которые мешают работе автоматики, для поддержания необходимого дугового зазора (15 мм). Выплавку слитка осуществляли с равномерным кольцевым зазором 35 мм между боковой поверхностью слитка и стенкой кристаллизатора. Во время плавления литого электрода источник электрической дуги переключали с частотой 0,1-10 Гц с обратной полярности на прямую и воздействовали на поверхность ванны жидкого металла наплавляемого слитка дуговым разрядом промодулированной частоты. Частота переключения источника питания дуги выбиралась из условия минимального движения расплава и создания квазистационарного режима плавления. После 16 часов плавления расходуемого электрода источник питания переключили на прямую полярность и перешли на режим выведения усадочной раковины (ВУР). Затем плавно в течение 180 минут снижали силу тока дуги по 1,5 кА. Величину силы тока дугового разряда определяют из соотношения J=а·d, где J - сила тока дуги, кА; а=0,01 кА/мм; d - диаметр слитка, мм.
Дуговой зазор поддерживали в пределах 12 мм. Печь отключили при силе тока дуги 1,5 кА. Слиток остывал вместе с печью в течение 180 минут. Получен слиток требуемого качества с хорошо проплавленной поверхностью, с незначительной ликвацией железа по длине слитка за счет регулирования потоков металла в наплавляемом слитке и уменьшения их влияния на ликвацию железа при кристаллизации металла, что позволило увеличить выход годного металла на 2,0% за счет снижения дефектов ликвационного происхождения, выявляемых при дальнейшем изготовлении полуфабрикатов из выплавленных слитков. Слитки, полученные данным способом, не требуют дополнительной механической обработки поверхности.
Пример 2. Плавление слитка диаметром 840 мм, массой 5025 кг из титанового сплава 6AL-2Sn-4Zr-2Mo осуществляли в вакуумной дуговой электропечи ДТВ-8,7-Г10 из литого расходуемого электрода диаметром 770 мм, полученного в вакуумной гарнисажной печи, на торце которого было выполнено кольцо толщиной 25 мм, высотой 35 мм. Второй переплав осуществляли следующим образом. Литой электрод литниковой частью помещали на поддон кристаллизатора вакуумной дуговой электрической печи, оснащенной реверсивным источником питания электрической дуги. Для предохранения медного поддона от поджога разведение ванны жидкого металла производили на прямой полярности (электрод - катод, наплавляемый слиток - анод). Затем производили нагрев нижнего торца электрода по следующей схеме: силой тока дуги 10 кА прямой полярности в течение 30 минут. Затем ток дуги плавно в течение 30 мин увеличивали до 25 кА и плавили на этом токе в течение 10 мин. При этом высота наплавленного слитка составила 265 мм. Затем плавно ток дуги снижали каждую минуту на 0,2 кА до рабочей величины 13-14 кА. Снижение производили в течение 90 мин. За это время сплавили усадочные раковины в литом электроде, которые мешают работе автоматики, для поддержания необходимого дугового зазора (15 мм). Выплавку слитка осуществляли с равномерным кольцевым зазором 35 мм между боковой поверхностью слитка и стенкой кристаллизатора. Слиток плавили на обратной полярности. Во время плавления литого электрода источник питания соленоида переключали с частотой 0,1-10 Гц с обратной полярности на прямую и воздействовали на поверхность ванны жидкого металла наплавляемого слитка дуговым разрядом промодулированной частоты. Частота переключения источника питания соленоида выбиралась из условия минимального движения расплава и создания "стоячих волн" на границе раздела поверхности жидкой ванны наплавляемого слитка и стенки медного кристаллизатора. Это позволяет уменьшить толщину короны, увеличить проплав поверхности слитка. После 17 часов плавления расходуемого электрода источник питания переключили на прямую полярность и перешли на режим выведения усадочной раковины (ВУР). Затем плавно в течение 180 минут снижали силу тока дуги по 1,5 кА.
Дуговой зазор поддерживали в пределах 12 мм. Печь отключили при силе тока дуги 1,5 кА. Слиток остывал вместе с печью в течение 180 минут. Получен слиток требуемого качества с хорошо проплавленной поверхностью, с незначительной ликвацией элементов по длине слитка за счет регулирования потоков металла в наплавляемом слитке и уменьшения их влияния на ликвацию железа при кристаллизации металла, что позволило увеличить выход годного металла на 2,0% за счет снижения дефектов ликвационного происхождения, выявляемых при дальнейшем изготовлении полуфабрикатов из выплавленных слитков. Из-за воздействия более горячих поверхностных потоков возле стенки кристаллизатора - "стоячих волн" (высота волны - амплитуда намного больше возле стенки кристаллизатора, чем в центральной области слитка, где горит дуга) - слитки, полученные данным способом, не требуют дополнительной механической обработки поверхности.