Способ вакуумного дугового переплава

 

Изобретение относится к области электрометаллургии и может быть использовано при выплавке высокореакционных металлов и сплавов, например титановых. Способ включает загрузку и приварку расходуемого электрода, вакуумирование, зажигание дуги, разогрев электрода и его плавление. Разогрев и начальный период плавления электрода осуществляют при начальных значениях длины дуги и тока дуги, обеспечивающих устойчивый диффузионный режим горения дуги. Поддерживают такой режим плавления до появления пленки жидкого металла по всему периметру торца электрода, после чего повышают ток дуги и напряжение до номинальных значений и продолжают плавление электрода. Изобретение позволяет формировать хорошо проплавленную донную часть слитка и защищать поддон от поджогов при повышении тока дуги и напряжения до номинальных значений. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области электрометаллургии и может быть использовано при выплавке высокореакционных металлов и сплавов, например титановых, методом вакуумного дугового переплава.

Известен способ вакуумного дугового переплава металлов и сплавов, включающий загрузку расходуемого электрода, укладку на поддон темплета, стружки или губки, вакуумирование, зажигание дуги и плавку расходуемого электрода. (А.Л. Андреев, Н.Ф. Аношкин и др. Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1978, с.20 [1]).

Укладка на поддон темплетов, стружки, титановой губки и зажигание на них дуги позволяет начинать плавку на больших токах, обеспечивая небольшую тепловую нагрузку на поддон.

Недостаток известного способа - низкое качество выплавляемого металла в донной части слитка, особенно при использовании в качестве защиты поддона стружки или губки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ вакуумного дугового переплава, включающий загрузку расходуемого электрода, приварку его к огарку, вакуумирование, зажигание дуги, разогрев и плавку расходуемого электрода, при котором разогрев электрода осуществляют путем постепенного увеличения силы тока и напряжения в течение 25-30 мин до рабочих параметров ([1], с.290, рис. 114, с.299) - прототип.

Постепенное увеличение тока и напряжения в начальный период плавки наряду с разогревом электрода приводят к его частичному плавлению. При этом расплавленный металл стекает на поддон отдельными каплями, которые, застывая на поддоне, образуют корку непроплавленного рыжего металла. Кроме того, медленное увеличение тока и напряжения в процессе разогрева электрода может привести к подплавлению поддона и даже к его прожогу.

Задачей изобретения является повышение качества выплавляемого металла за счет проплава донной части слитка и повышение срока эксплуатации поддона за счет снижения вероятности его поджога.

Поставленная задача решается тем, что в способе вакуумного дугового переплава металлов и сплавов, включающем загрузку и приварку расходуемого электрода, вакуумирование, зажигание дуги, разогрев электрода и его плавление, согласно изобретению разогрев и начальный период плавления электрода и его плавление осуществляют при начальных значениях длины дуги и тока дуги, обеспечивающих устойчивый диффузный режим горения дуги, поддерживают такой режим плавления до появления пленки жидкого металла по всему периметру торца электрода, после чего повышают ток дуги и напряжение до номинальных значений и продолжают плавление электрода. Начальную длину дуги определяют из соотношения: 0,3-0,4 (Д _кр-Д_эл), где Д_кр - диаметр кристаллизатора (мм), Д_эл - диаметр электрода (мм), а начальный ток дуги устанавливают пропорционально диаметру электрода: I _нач=K₁Д_эл, где K₁=(0,010-0,013) кА/мм - коэффициент пропорциональности. Кроме того, повышение тока дуги до номинального значения производят по зависимости: Δ I=К₂τ ⁴ , где Δ I=I_ном-I_нач (кА); К₂=(13-18)· 10^-5 кА/мин; τ - время увеличения тока до номинального, мин.

Диффузный режим горения дуги характеризуется наличием на торце электрода большого числа независимых друг от друга быстроперемещающихся катодных пятен с автоэлектронным механизмом эмиссии. Вследствие этого вводимая тепловая мощность распределяется равномерно по всей поверхности как торца электрода, так и поддона, что ограничивает плотность теплового потока на поддон до величины, исключающей подплавление поддона. Диффузный режим горения дуги реализуется при определенных значениях тока и длины дуги для конкретного типа выплавляемого сплава и диаметра электрода. Экспериментально установлено, что для титановых сплавов диффузный режим горения дуги реализуется при начальной длине дуги L_д=0,3-0,4 (Д_кр-Д_эл) и начальном токе I_нач =K₁Д_эл. Увеличение начального тока при заданной длине дуги или уменьшение длины дуги менее 0,3 (Д _кр-Д_эл) при заданном начальном токе приводит к переходу диффузного режима горения дуги в контрагированный. Такой режим горения дуги характеризуется наличием на торце электрода малоподвижного коллективного катодного пятна, состоящего из многих пятен с термоавтоэлектронным механизмом эмиссии. Это приводит к тому, что катодная область и плазменный столб малоподвижны и локализованы в каком-то одном месте на торце электрода. Поэтому плотность теплового потока в этом месте может достичь величины, при которой произойдет поджог поддона и омеднение донной части слитка.

При диффузном режиме горения дуги тепловая мощность, поступающая на торец электрода, достаточна для образования слоя металла, нагретого до температуры плавления и занимающего все сечение торца электрода, а количество этого металла зависит от времени разогрева и физических характеристик металла (вязкости, плотности, поверхностного натяжения).

Разогрев и начальный период плавления электрода считается законченным при появлении на торце электрода пленки жидкого металла, которая хорошо видна по всему наблюдаемому периметру электрода, после чего ток дуги и напряжение увеличивают до номинальных значений.

Увеличение тока до номинального значения производят по степенной зависимости от времени Δ I=К₂τ ⁴ , (кА). Повышение тока по этой зависимости позволяет оптимизировать процесс перехода диффузного вида разряда в контрагированный. При показателе степени менее 4 процесс разведения ванны жидкого металла неоправданно удлиняется. При показателе степени более 4, за счет большой скорости повышения тока происходит резкое сжатие столба дуги собственным магнитным полем, сопровождающееся броском напряжения, что может привести к отключению источника тока питания дуги. Предлагаемая степенная зависимость позволяет реализовать режим разведения ванны жидкого металла как в ручном режиме, так и в автоматическом режиме по заданной программе.

Увеличение напряжения на дуге связано с увеличением дугового зазора и обеспечивает снижение плотности теплового потока на поддон в процессе повышения тока и перехода диффузного режима горения дуги в контрагированный.

Поскольку при выбранном режиме повышения тока подводимая к торцу электрода тепловая энергия превышает отводимую, происходит интенсивное плавление и отекание металла на поддон, который тем самым оказывается защищен от прямого воздействия плазмы дуги. Более того, значительная тепловая энергия, вводимая в образующуюся ванну жидкого металла, обеспечивает расплавление отдельных капель и брызг, застывших ранее на поддоне.

Таким образом формируется хорошо проплавленная донная часть слитка и реализуется защита поддона от поджогов при повышении тока дуги и напряжения до номинальных значений.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Осуществляли вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода титанового сплава Вт1-0 диаметром 650 мм в кристаллизатор диаметром 770 мм. После приварки электрода, вакуумирования и зажигания электрической дуги установили начальные значения тока I_нач=7,8 кА (0,012Д_эл), длину дуги L_д=42 мм [0,35 (Д_кр-Д_эл )] и поддерживали эти параметры до появления визуально наблюдаемой пленки жидкого металла по периметру торца электрода. После этого увеличили напряжение до номинального значения 38-42 В, подняли ток до номинального значения 25 кА по зависимости (0,00016· τ ⁴) и вели процесс плавления в номинальном режиме. Полученный слиток имел качественный проплав, в том числе и донной части, подплавления поддона не наблюдалось.

Пример 2. Производили вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода титанового сплава Ti-6A1-4V диаметром 750 мм в кристаллизатор диаметром 870 мм по технологии, приведенной в примере 1, но разогрев электрода осуществляли при I_нач=9 кА; L_д=44 мм, а повышение тока до номинального (I_ном=25 кА) определяли по зависимости Δ I=0,00015· τ ⁴.

Полученный слиток имел качественный проплав, включая донную часть. Поддон без следов подплавления.

Использование предлагаемого способа вакуумного дугового переплава по сравнению с известными обеспечивает качественный проплав донной части слитка, в результате чего повышается выход годного металла. Кроме того, повышается срок эксплуатации поддона за счет выбора оптимальных параметров режима плавления, что исключает поджог поддона.

Формула изобретения

1. Способ вакуумного дугового переплава металлов и сплавов, включающий загрузку и приварку расходуемого электрода, вакуумирование, зажигание дуги, разогрев электрода и его плавление, отличающийся тем, что разогрев и начальный период плавления электрода осуществляют при начальных значениях длины дуги и тока дуги, обеспечивающих устойчивый диффузионный режим горения дуги, поддерживают такой режим плавления до появления пленки жидкого металла по всему периметру торца электрода, после чего повышают ток дуги и напряжение до номинальных значений и продолжают плавление электрода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что начальную длину дуги определяют из соотношения L_д=0,3-0,4(Д_кр -Д_эл), где L_д - начальная длина дуги, мм; Д_кр, Д_эл - диаметры кристаллизатора и электрода, мм, а начальный ток (I_нач) устанавливают пропорционально диаметру электрода I_нач=К₁Д_эл , где K₁=(0,010-0,013) - коэффициент пропорциональности, кА/мм.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что повышение тока дуги до номинального значения производят по следующей зависимости: Δ I=К₂τ ⁴ , где К₂=(13-18)10^-5 , кА/мин, τ - время, в течение которого повышают ток, мин.