Современные способы получения слитков титановых сплавов

УДК 669.295

Л.А.МАЧИШИНА

ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург

СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКОВ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Приводятся современные промышленные методы получения слитков из нелегированного титана и сплавов на его основе.

Up-to-date industrial methods of cake production from unalloyed titanium and titanium alloy are given in this paper.

Благоприятное сочетание уникальных свойств: малая плотность, немагнитность, сопротивление коррозии, высокая удельная прочность, радиационная стойкость и ряд других, - сделали титан и его сплавы перспективным конструкционным материалом для широкого использования в ряде новых областей современной техники.

В 1951 г. во Всесоюзном НИИ авиационных материалов (Москва) были проведены большие работы по исследованию возможности плавки титана методом вакуумной дуговой плавки (ВДП) в индукционных печах с тиглями из различных материалов. Однако из-за высокой реакционной способности титана, особенно при температуре плавления, в дальнейшем проводились работы по аргонодуговому методу плавки в медных охлаждаемых водой кристаллизаторах. Аргонодуговые печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом обладали существенными недостатками: образование вольфрамовых включений в металле из-за эрозии электрода, быстрый износ последнего, неустойчивость плавки, неравномерность вытягивания слитка, что приводило к нарушению сплошности поверхности и дефектам. Учитывая это, в ЦНИИ КМ «Прометей» были разработаны основные параметры ВДП, которые легли в основу многочисленных последующих конструкций вакуумных печей различной емкости и назначения (см. таблицу). Плавка в аргоне была заменена плавкой в вакууме, что обеспечило рафинирование металла от летучих приме-120 -

сей и водорода; плавку в кристаллизаторе с вытягиванием слитка заменили изложницей с разъемным поддоном. Эти изменения сделали плавку устойчивой и простой в исполнении.

Печи предусматривали наличие соленоида, который кроме стабилизации горения электрической дуги и вращения жидкой ванны создает благоприятные условия для растворения тугоплавких компонентов шихты и усреднения химического состава слитка, резко снижает возможность прожогов изложницы, следовательно, улучшает безопасность работы вакуумно-дуговой печи ВДП.

Технология получения слитков методом вакуумной дуговой плавки прессованного расходуемого электрода электрической дугой в водоохлаждаемом кристаллизаторе была внедрена на Ступинском металлургическом комбинате, Подольском химико-металлургическом заводе и Верхнесалдин-ском заводе по обработке цветных металлов. Этот метод является основным в нашей стране. Современная технология выплавки слитков включает производство и подготовку к плавке шихтовых материалов (титановой губки, легирующих материалов и отходов); изготовление расходуемого электрода для первого переплава методом прессования шихты на прессах через проходную матрицу; подготовку плавленого расходуемого электрода ко второму переплаву и собственно второй переплав; подготовку слитка к дальнейшим металлургическим переделам.

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т. 165

Сравнительные характеристики различных видов плавки

Вид плавки Назначение Масса слитков, т Отличительные особенности

ВДП Круглые слитки < 18 • Высокое качество металла.

(рекомендуемый и передельные • Стандартизация технологического процесса.

электрод заготовки • Сравнительно низкая энергоемкость.

• Широкое применение в промышленном производстве

ВДП Получение 8-10 • Использование для плавления медных водоохлаждаемых

(нерасходуемый передельных электродов различного типа:

электрод) заготовок. с вращением электрода,

Переплав с вращением дуги.

отходов • Отсутствие необходимости в прессовом оборудовании.

и скрапа • Возможность переплава до 100 % отходов

Гарниссажная Фасонное литье < 5 (литье), • Разделен процесс плавки и процесс кристаллизации.

плавка и расходуемые < 8 (электродов) • Разливка из-под дуги и с погашенной дугой.

электроды • Разливка в керамическую форму и кокиль, центробежное

литье.

• Разливка в изложницу

ЭЛП Круглые слитки, < 5 • Разделены процессы плавки и кристаллизации.

полые заготовки, • Переплав до 100 % крупногабаритной шихты.

слябы • Рафинирование от тугоплавкой и труднорастворимой части

шихты.

• Сравнительно высокий угар летучих компонентов шихты.

• Автоматизация процесса плавки.

• Высокая энергоемкость и сравнительно низкая производи-

тельность

Широкое распространение получил метод вакуумной дуговой плавки расходуемого электрода в гарниссаже с разливкой либо с погашенной дугой, либо с обогревом поверхности ванны в процессе слива горящей дугой для получения фасонных отливок, а также и как заготовительная операция при изготовлении слитков титановых сплавов, которые могут быть использованы в качестве электродов при ВДП.

Методы плавки ВДП и гарниссажная плавка обладают рядом недостатков: ограниченные возможности для вовлечения в шихту возвратных отходов и лома отработавших ресурс изделий, получение слитков только цилиндрической формы и совмещение в изложнице процесса расплавления металла и процесса кристаллизации. В связи с этим производители титановых слитков постоянно работают над созданием отличных от ВДП методов получения компактного титана.

Одновременно с созданием ВДП с расходуемым электродом был разработан метод ВДП с нерасходуемым электродом и специальные печи, оборудованные бунке-

рами для подачи измельченной шихты в зону плавки. Подобные печи давали возможность переплавлять до 100 % отходов. На первом этапе использовали нерасходуемые электроды из графита или вольфрама, однако из-за эрозии электродов в процессе плавки в слитках обнаруживали дефекты в виде включений графита или вольфрама. Наличие дефектов привело к тому, что этот метод плавки не получил широкого распространения. Печи с нерасходуемыми электродами используются, главным образом, для переплава отходов и скрапа.

В последние годы все большее применение находит метод электронно-лучевой плавки (ЭЛП). Основное преимущество ЭЛП заключается в разделении процессов плавления и кристаллизации, высокая плотность энергии в пучке, возможность распределения энергии по поверхности и высокий вакуум в зоне плавления (10-2-10-4 мм рт.ст.). Перспективность этого метода возрастает в результате перехода от прямого переплава расходуемой заготовки в кристаллизатор к переплаву с применением промежуточной емкости (ЭЛПЕ).

- 121

Санкт-Петербург. 2005

Промежуточная емкость предназначена для улучшения рафинирования переплавляемого металла, усреднения его химического состава и предотвращения попадания нерасплавившихся кусков в слиток. Печи оборудованы кристаллизаторами с вытягиванием и позволяют получать промышленные слитки как цилиндрической, так и прямоугольной формы. При ЭЛПЕ для переплава могут быть использованы заготовки в виде слитков, отлитых в изложницу, или наборных отдельных пластин, штанг, прутков, а также стружка (лучше в брикетах), титановая губка, таблетки, гранулы и другие кусковые материалы (лом и крупногабаритные отходы).

Однако в условиях электронно-лучевого нагрева и высокого вакуума при ЭЛП происходит испарение металлов шихты пропорционально упругости их пара над расплавом, что приводит к заметным потерям отдельных легирующих компонентов. Поэтому в настоящее время появились новые конструкции электронно-лучевых пушек, позволяющих производить процесс плавления при вакууме в зоне плавления при 10 мм рт.ст., что резко уменьшает испарение компонентов шихты титановых сплавов.

В настоящий момент на территории СНГ производство слитков методом ЭЛП

сосредоточено на производственной базе Института электросварки им. Е.О.Патона (Киев, Украина).

Метод производства слитков методом электрошлакового переплава (ЭШП), широко применяемый при выплавке специальных сталей, позволяет не только рафинировать металл от таких вредных примесей, как сера, фосфор и др., но и получить качественную поверхность слитков.

Применение ЭШП для титана и его сплавов по сравнению с ВДП имеет ряд преимуществ: не требуются дорогостоящие источники постоянного тока; качественная поверхность слитков не требует дополнительной обработки; получаются слитки не только круглого, но и прямоугольного сечения.

Электрошлаковая плавка производится в вакуумных печах в атмосфере аргона. Наличие инертного газа и слоя флюса снижает эффект удаления летучих примесей, кроме того, предъявляются высокие требования к качеству флюса, так как исследования структуры слитка ЭШП в ЦНИИ КМ «Прометей» показали наличие модифицирования металла слитка компонентами флюса, что сказалось на снижении отдельных механических свойств (по сравнению с металлом ВДП). Поэтому применение ЭШП для титана и его сплавов не нашло промышленного развития.

122 -

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т. 165