Способ получения расходуемых электродов для изготовления отливок из циркониевых сплавов
METHOD OF OBTAINING CONSUMABLE ELECTRODES FOR MANUFACTURING CASTINGS FROM ZIRCONIUM ALLOYS

Изобретение относится к области переплавки металлов, устройствам для электрошлаковой или электродуговой переплавки металлов, а именно к способам изготовления отливок из коррозионно-стойких сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов.
В частности, к таковым можно отнести циркониевые сплавы, которые сочетают исключительно высокую коррозионную стойкость по отношению к минеральным и органическим кислотам, а также сильнощелочным растворам, что в сочетании с высокой механической прочностью позволяет применять цирконий для изготовления химического оборудования: насосов, вентилей, теплообменников, фильтров, труб и другого оборудования со снижением стоимости и усовершенствованием методов производства.
Может быть использовано для изготовления отливок из циркониевых сплавов в вакуумных гарнисажных печах с расходуемым электродом методом дуговой плавки.
Известен способ производства отливок из высокореакционных металлов и сплавов, в том числе циркониевых, в вакуумных гарнисажных печах с расходуемым электродом методом дуговой плавки [1]. В вакуумную камеру помещают медный водоохлаждаемый тигель, расходуемый электрод и литейные формы. Расходуемый электрод представляет собой шихтовой слиток сплава заданного состава. После вакуумирования печи зажигают электрическую дугу между электродом и дном тигля, прогревают тигель и электрод на малой мощности. При повышении мощности до рабочих ее значений происходит плавление расходуемого электрода, расплавленный металл постепенно заполняет тигель. По мере оплавления расходуемого электрода он автоматически опускается вниз. В связи с высокой теплопроводностью медного водоохлаждаемого тигля на его стенках образуется слой затвердевшего расплава толщиной 10…15 мм, который является гарнисажной футеровкой.
Недостатком [1] является необходимость предварительного изготовления расходуемых электродов из губчатых металлических шихтовых материалов методами литейного производства и обработки металлов давлением. Поэтому широкое применение данной группы сплавов ограничено высокой стоимостью металлических шихтовых материалов, обусловленной многоступенчатой и дорогостоящей операцией обогащения, химической переработки и рафинирования исходных рудных материалов.
Наиболее близким по существу заявляемого изобретения, прототипом, является способ получения расходуемых электродов из металлической стружки [2], который заключается в применении расходуемых электродов, изготовленных из металлической стружки заданного состава сплава. Способ включает дробление и очистку стружки, вакуумно-термическую дегазацию при 550-650°С, выдержку от 1 до 2 часов. Стружечные брикеты прессуют и загружают с зазором в изложницу, которую перед заливкой одноименным сплавом нагревают до 400-450°С.
Недостатком прототипа [2] является использование в качестве шихты металлического материала в виде стружки, а также дорогостоящей заливки, служащей связующим стружечного брикета.
Целью предлагаемого изобретения является получение расходуемого электрода без использования дорогостоящих металлических шихтовых материалов.
Цели достигают тем, что в качестве исходных компонентов используется неметаллические материалы в виде оксида циркония и каменноугольного пека.
Заявляемое изобретение может быть осуществлено, например, следующим путем. В качестве шихтового материала используется рудный материал - оксид циркония. В качестве восстановителя используется углеродсодержащее сырье, например каменноугольный пек. Его предварительно размалывают в шаровой мельнице, перетирают на бегунах, просушивают в сушильных барабанах, просеивают через сито 0,5 мм. Затем пек смешивают с оксидом циркония. Смесь обрабатывают на вальцах, затем размалывают в шаровых мельницах, просеивают через сито. Из полученного порошка на гидравлических прессах прессуют электроды в форме цилиндров и обжигают в электрических печах сопротивления при температуре 1480°С. Затем электроды устанавливают в плавильно-заливочный агрегат и зажигают электрическую дугу.
Восстановление диоксида циркония углеродом происходит по реакции:
2
где ZrO - диоксид циркония;
C - углерод;
Zr - цирконий;
СO - оксид углерода (II).
При температурах горения дуги (не менее 3000°С) единственно возможными продуктами реакции являются цирконий и оксид углерода, поэтому уравнение представляет реакцию, протекающую в твердой фазе. В зоне реакции должна поддерживаться глубокая степень вакуумирования для удаления газообразного оксида углерода с целью смещения равновесия реакции в сторону конечных продуктов, а также для защиты жидкого металла от загрязнения растворимыми примесями.
На чертеже приведена Таблица, где представлены экспериментальные данные, а именно результаты исследований, где был определен состав смеси, который обеспечивает получение металлического циркония.
Из данных таблицы очевидно, что если содержание каменноугольного пека в составе композиции менее 16% и более 21% выход металлического циркония в процессе плавки резко снижается, поэтому оптимальным содержанием каменноугольного пека в составе композиции находится в пределах от 16% до 21% и оксида циркония от 79% до 84% (масс).
Таким образом, предлагаемый состав расходуемого электрода позволяет получать металлический цирконий без использования дорогостоящего губчатого металлического циркония. Полученный металл при необходимости можно дошихтовать и без дополнительных металлургических операций использовать в качестве литейного сплава для получения фасонных отливок.
Приведенные примеры применения предлагаемого изобретения показывают его полезность для области переплавки металлов, устройствам для электрошлаковой или электродуговой переплавки металлов, а именно к способам изготовления отливок из коррозионно-стойких сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов.
Предлагаемое изобретение удовлетворяет критериям новизны, так как при определении уровня техники не обнаружено средство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения, включая характеристику назначения.
Предлагаемое изобретение имеет изобретательский уровень, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.
Заявленное техническое решение можно реализовать без использования дорогостоящих металлических шихтовых материалов путем смешения неметаллических материалов в виде оксида циркония и каменноугольного пека и изготовления из них расходуемых электродов.
Источники информации
1. Литейные сплавы и плавка: учеб. / А.П. Трухов, А.И. Маляров. - М: ИЦ Академия, 2004. - 336 с.
2. Патент РФ №2197548, опубликовано: 27.01.2003.