Способ получения слитков

 

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к способам получения слитков титановых сплавов путем переплава расходуемых электродов в вакуумных дуговых печах. Способ включает перемешивание в смесителе каждой порции сыпучих компонентов шихты, состоящей из губчатого титана, легирующих элементов и отходов, ссыпку шихты в контейнер пресса, порционное прессование расходуемого электрода в виде по крайней мере одного блока и получение при его плавлении в вакуумной дуговой печи слитка первого переплава (литого расходуемого электрода), второй переплав литого расходуемого электрода, воздействие на зону плавления и кристаллизации пульсирующим или знакопеременным магнитным полем. Расчетный состав сплава при прессовании блока расходуемого электрода задают каждой порции шихты, массу прессованного блока задают равной массе выплавляемого слитка, при этом массу каждой порции шихты в прессованном блоке определяют из соотношения М_порц. = К₁ · I_раб. (кг), где К₁ - коэффициент, учитывающий массу ванны жидкого металла при заданном токе при первом переплаве прессованного блока, кг/кА; К₁= 3-7, I_раб. - рабочий ток плавления, кА; максимальное и минимальное давления при прессовании каждой порции связывают соотношением P_min = Р_max·e^-(0,25-0,4), причем на нижнем торце прессуемого электрода формируют выступ, а на верхнем торце - углубление в виде усеченной полусферы с радиусом, составляющим 0,2-0,4 радиуса прессованного расходуемого электрода, и высотой, составляющей 0,03-0,05 радиуса прессованного расходуемого электрода. Способ позволяет повысить однородность химического состава слитков первого переплава, усреднить состав сплава в ванне жидкого металла при втором переплаве и устранить макродефекты в слитках. 3 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к способам получения слитков химически активных металлов, например титановых сплавов путем переплава расходуемых электродов в вакуумных дуговых печах.

Известен способ получения слитков титановых сплавов, включающий изготовление расходуемого электрода и его двойной переплав в вакуумной дуговой печи. Изготовление расходуемого электрода для первого переплава осуществляют порционным прессованием сыпучих компонентов шихты, состоящей из губчатого титана, легирующих элементов и отходов, в блоки с последующей сваркой прессованных блоков между собой. При прессовании производят предварительное перемешивание каждой порции шихты в смесителе и ссыпку шихты в контейнере пресса непрерывным регулируемым потоком. Литой расходуемый электрод для второго переплава представляет собой либо один слиток первого переплава, либо является сборным, состоящим из двух слитков первого переплава, сваренных между собой вне печи или в вакуумной дуговой печи. В процессе плавления при обоих переплавах на зону плавления и кристаллизации воздействуют пульсирующими или знакопеременным магнитным полем. Режимы плавления задают регламентированными значениями (Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов /Андреев А.Л. и др. - М.: Металлургия, 1994, с. 189-224 - прототип/.

Недостатками известного способа являются низкий выход годного металла из-за наличия макродефектов и относительно низкой однородности химического состава.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение выхода годного металла и качества выплавляемых слитков.

Технический результат, достигаемый при осуществлении способа, заключается в повышении однородности химического состава слитков первого переплава, в усреднении состава сплава в ванне жидкого металла при втором переплаве и в устранении макродефектов в слитках.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения слитков титановых сплавов, включающем перемешивание в смесителе каждой порции сыпучих компонентов шихты, состоящей из губчатого титана, легирующих элементов и отходов, ссыпку шихты в контейнер пресса, порционное прессование расходуемого электрода в виде по крайней мере одного блока и получение при его плавлении в вакуумной дуговой печи слитка первого переплава (литого расходуемого электрода), второй переплав литого расходуемого электрода, воздействие на зону плавления и кристаллизации пульсирующим или знакопеременным магнитным полем, в соответствии с изобретением расчетный состав сплава при прессовании блока расходуемого электрода задают каждой порции шихты, массу прессованного блока задают равной массе выплавляемого слитка, при этом массу каждой порции шихты в прессованном блоке определяют из соотношения M_порц. = K₁·I_раб. (кг), (1) где K₁ - коэффициент, учитывающий массу ванны жидкого металла при заданном токе при первом переплаве прессованного блока, кг/кА; K₁ = 3-7; I_раб. - рабочий ток плавления, кА максимальное и минимальное давление при прессовании каждой порции связывают соотношением P_min = P_max·e^-(0,25_-0,4), (2) причем на нижнем торце прессуемого электрода формируют выступ, а на верхнем торце - углубление в виде усеченной полусферы с радиусом, составляющим 0,2 - 0,4 радиуса прессованного расходуемого электрода, и высотой, составляющей 0,03 - 0,05 радиуса прессованного расходуемого электрода.

При переплаве прессованного или литого расходуемого электрода с воздействием на зону плавления и кристаллизации пульсирующим или знакопеременным магнитным полем режим плавления выбирают из соотношений (3):
Начальный ток плавления (кА) - I_нач. = (0,12 - 0,16) D_эл.
Величина дугового зазора в начале плавления (см) - L = (0,5 - 0,7) I_нач.
Время выхода на I_раб. (мин) - t_нач. = (1,3-2,0) I_нач.
Рабочий ток плавления (кА) - I_раб. = (0,08 - 0,7) D_эл.,
где D_эл. - диаметр электрода, см
Силу тока на окончательном переплаве задают с учетом коэффициентов распределения легирующих элементов сплава
K₂ = C_тв/C_ж, (4)
где C_тв - концентрация легирующего элемента в твердой фазе;
C_ж - концентрация легирующего элемента в жидкой фазе,
при этом, если K₂ > 0,85, силу тока определяют из соотношения
I_раб. = (0,3 - 0,7) D_эл., (5)
а если K₂ < 0,85, силу тока определяют из соотношения
I_раб. = (0,08 - 0,3) D_эл. (6)
При переплаве прессованного расходуемого электрода с воздействием на зону плавления и кристаллизации пульсирующим магнитным полем частоту воздействия полем выбирают из соотношения
f₁ = H/K₃ (Гц) (7)
с паузой между импульсами
t₁ = (0,3 - 0,5) 1/f₁ (с), (8)
а при последующих переплавах литого расходуемого электрода с воздействием на зону плавления и кристаллизации металла знакопеременного магнитного поля частоту воздействия полем выбирают из соотношения
f₂ = H/K₄ (Гц) (9)
с паузой между импульсами
t₂ = (0,2 - 0,3) 1/f₂ (с), (10)
где H - напряженность магнитного поля (А/м);
K₃ и K₄ - коэффициенты, учитывающие воздействие магнитного поля на ванну жидкого металла, А с/м;
K₃ = (0,6 - 2,0)· 10⁴;
K₄ = (1,7 - 2,5) · 10⁴.

Благодаря расчету состава сплава для каждой порции шихты при прессовании блока расходуемого электрода, приравниванию массы блока массе выплавляемого слитка и расчету массы каждой порции шихты в зависимости от массы ванны жидкого металла и рабочего тока плавления по соотношению (1) достигается высокая степень однородности химического состава по всему объему расходуемого электрода и полученного при его плавлении слитка первого переплава (литого расходуемого электрода). Взаимосвязь максимального и минимального давления при прессовании каждой порции шихты по соотношению (2) повышает плотность каждой порции, что обеспечивает высокую прочность и уменьшает кривизну полученного прессованного электрода.

Выполнение выступа и углубления заявленной формы и размеров, зависящих от радиуса прессуемого расходуемого электрода, обеспечивает, с одной стороны, поддержание диффузного дугового разряда в начале плавления и, с другой стороны, оптимальный размер ванны жидкого металла без пролива на боковую поверхность электрода в процессе его приварки к огарку.

Заявленный соотношениями (3) гибкий режим плавления при первом, при втором и возможных последующих переплавах в зависимости от диаметра электрода, а также значение силы тока на окончательном переплаве, определяемое соотношениями (4, 5, 6) в зависимости от концентрации легирующего элемента в твердой и жидкой фазе, обеспечивают достаточную глубину и массу жидкой ванны, чтобы в ней закончились процессы усреднения состава сплава и не развились ликвационные процессы.

Параметры воздействующего на зону плавления и кристаллизации пульсирующего или знакопеременного магнитного поля соотношениями (7, 8, 9, 10) в зависимости от магнитогидродинамического действия поля на ванну металла позволяют достичь оптимальной величины пондемоторных сил в расплаве, вызывающих тепломассоперенос и динамическое воздействие на кристаллизующийся металл, исключающих значительный рост кристаллов и возникновение макродефектов в слитке.

Способ реализуется следующим образом.

В соответствии с маркой сплава выплавляемого слитка рассчитывают состав каждой порции шихты, включающей титановую губку, легирующие элементы и отходы. Прессуют расходуемый электрод из одного блока. При этом массу блока задают равной массе слитка, а массу каждой порции шихты определяют из соотношения (1). При прессовании расходуемого электрода придерживаются соотношения (2) максимального и минимального давления прессования. Используя оснастку определенной формы, на нижнем торце прессуемого электрода формируют выступ, а на верхнем торце - углубление в виде усеченной полусферы высотой и радиусами в пределах заявленных значений.

Первый переплав прессованного электрода ведут с воздействием на зону плавления магнитным полем. Режим плавления выбирают из соотношения (3), параметры поля - из соотношений (7, 8).

Второй переплав литого расходуемого электрода ведут с воздействием на зону плавления магнитным полем. Режим плавления выбирают из соотношений (3, 4, 5, 6), параметры поля - из соотношений (9, 10).

Таким образом, использованием заявленного способа достигается высокая химическая однородность слитков и отсутствие в нем макродефектов, что обеспечивает высокое качество выплавляемых слитков и повышение выхода годного металла.

Формула изобретения

1. Способ получения слитков титановых сплавов, включающий перемешивание в смесителе каждой порции сыпучих компонентов шихты, состоящей из губчатого титана, легирующих элементов и отходов, ссыпку шихты в контейнер пресса, порционное прессование расходуемого электрода в виде, по крайней мере, одного блока и получение при его плавлении в вакуумной дуговой печи слитка первого переплава (литого расходуемого электрода), второй переплав литого расходуемого электрода, воздействие на зону плавления и кристаллизации пульсирующим или знакопеременным магнитным полем, отличающийся тем, что расчетный состав сплава при прессовании блока расходуемого электрода задают каждой порции шихты, массу прессованного блока задают равной массе выплавляемого слитка, при этом массу каждой порции шихты в прессованном блоке определяют из соотношения
М_порц = К₁I_раб(кг),
где К₁ - коэффициент, учитывающий массу ванны жидкого металла при заданном токе при первом переплаве прессованного блока, кг/кА;
К₁ = 3 - 7;
I_раб - рабочий ток плавления, кА
максимальное и минимальное давление при прессовании каждой порции связывают соотношением Р_min = P_max · e^{-(0,25 - 0,4)}, причем на нижнем торце прессуемого электрода формируют выступ, а на верхнем торце - углубление в виде усеченной полусферы с радиусом, составляющим 0,2 - 0,4 радиуса прессованного расходуемого электрода, и высотой, составляющей 0,03 - 0,05 радиуса прессованного расходуемого электрода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при переплаве прессованного или литого расходуемого электрода с воздействием на зону плавления и кристаллизации пульсирующим или знакопеременным магнитным полем режим плавления выбирают из соотношений
Начальный ток плавления (кА) - I_нач = (0,12 - 0,16) D_эл;
Величина дугового зазора в начале плавления (см) - L = (0,5 - 0,7) I_нач
Время выхода на I_раб(мин) - t_нач = (1,3 - 2,0) I_нач
Рабочий ток плавления (кА) - I_раб = (0,08 - 0,7) D_эл, где D_эл - диаметр электрода, см.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что силу тока на окончательном переплаве задают с учетом коэффициентов распределения легирующих элементов сплава
К₂ = С_тв/С_ж
где С_тв. - концентрация легирующего элемента в твердой фазе;
С_ж. - концентрация легирующего элемента в жидкой фазе,
при этом, если К₂ > 0,85, силу тока определяют из соотношения I_раб = (0,3 - 0,7) D_эл, а если К₂ < 0,85, силу тока определяют из соотношения I_раб = (0,08 - 0,3) D_эл.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что при переплаве прессованного расходуемого электрода с воздействием на зону плавления и кристаллизации пульсирующим магнитным полем частоту воздействия полем выбирают из соотношения f₁ = H/K₃ (Гц) с паузой между импульсами t₁ = (0,3 - 0,5) 1/f₁ (с), а при последующих переплавах литого расходуемого электрода с воздействием на зону плавления и кристаллизации металла знакопеременного магнитного поля частоту воздействия полем выбирают из соотношения
f₂ = H/K₄ (Гц)
с паузой между импульсами t₂ = (0,2 - 0,3) 1/f₂ (c);
где Н - напряженность магнитного поля (А/м);
К₃ и К₄ - коэффициенты, учитывающие воздействие магнитного поля на ванну жидкого металла, А с/м,
К₃ = (0,6 - 2,0) 10⁴,
К₄ = (1,7 - 2,5)10⁴.