Плавка тугоплавких металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Плавка тугоплавких металлов и их сплавов

К числу тугоплавких металлов относят титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, тантал, вольфрам. Температура плавления, которых выше 1500°С.

Общим для указанной группы металлов является не только высокая температура плавления, но и большая химическая активность в расплавленном состоянии. Они активно взаимодействуют с кислородом, азотом, водородом и углеродом. Поэтому плавку тугоплавких металлов и сплавов ведут в вакууме или среде защитных газов, в печах специальных конструкций.

Плавка титана и его сплавов

Чистый титан и его сплавы обладают ценным комплексом физико - химических и механических свойств: высокой удельной прочностью, удовлетворительной пластичностью при комнатной, повышенной и минусовой температурах, хорошей свариваемостью, малым коэффициентом линейного расширения, высокой коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред. В связи с этим титан находит широкое применение в авиастроении, судостроении, химическом машиностроении и других отраслях техники.

Еще более широкое применение имеют титановые сплавы. Химический состав их приведен в табл.34

В настоящее время для плавки титана и его сплавов используют дуговые индукционные и электроннолучевые печи. Дуговую и электроннолучевую плавку применяют для изготовления слитков и фасонных изделий, индукционные печи - преимущественно для получения фасонных отливок.

Плавка в индукционных печах

Для получения фасонных отливок необходимо иметь единовременно достаточно большие количества расплава. С этой точки зрения более целесообразно применять плавку в индукционных печах.

Индукционная высококачественная плавка связана с трудностями в подборе огнеупорных материалов для плавильных тиглей. Известно, что минимальное взаимодействие с титаном характерно для плотного графита и рекристаллизованных CaO и ThO₂. Но и эти материалы загрязняют титан, особенно при значительных перегревах.

В промышленности в настоящее время плавильные тигли для индукционных печей изготовляют из плотного графита. В результате реакции между графитом и расплавленным титаном на поверхности графита образуется слой стойкого карбида титана, который предотвращает непосредственный контакт расплавленного металла и графита. Это обстоятельство резко снижает насыщение титана углеродом. Обычно науглероживание титана при плавке в графитовом тигле достигает 0,7 - 0,8 %. Плавка титана в индукционных печах требует сравнительно небольшого расхода энергии (1,25 квт*ч/кг). Кроме того, в индукционных печах можно переплавлять скрап (отходы). Однако ввиду загрязнения расплава углеродом, индукционные печи находят небольшое применение.

Схемы высокочастотных индукционных печей приведены на рис. 43, 44. Плавка ведется в атмосфере чистого аргона (99,8 %). Шихтовые материалы загружают в тигель, установив предварительно титановую пробку в данное сливное отверстие, если разливку производят через дно. Затем печь закрывают, откачивают воздух до остаточного давления 1*10^-2 мм рт. ст. и наполняют её инертным газом до избыточного сверх атмосферного давления 20 мм рт. ст. После этого подаётся напряжение и происходит расплавление шихты.

Плавка в дуговых печах

Плавку титана в дуговых печах осуществляют с применением расходуемых и не расходуемых электродов.

В качестве не расходуемых электродов используют стержни торированного вольфрама и электродного графита. Основной недостаток применения не расходуемых электродов - загрязнение сплава материалом электрода.

Кроме того, малое сечение электрода (9 диаметр 3 - 10 мм) не позволяет вести плавку с большой скоростью наплавление металла.

Печи с не расходуемым электродом (рис.45) для плавки титана работают на постоянном токе (до 12000 а, 30 в). Плавку ведут в защитной атмосфере (аргон, гелий) при давлении 20 мм рт. ст.

Для небольших плавок (1,0 кг) используют электроды с наконечниками из тарированного вольфрама. В крупных печах применяют графитированные электроды. Плавка с графитированными электродами при соблюдении всех правил эксплуатации позволяет получать металл с содержанием углерода 0,02%.

В некоторых случаях печи снабжаются тремя, четырьмя электродами, питающимися от отдельных источников тока. Для уменьшения загрязнения титана углеродом в печах устанавливают экраны, предотвращающие соприкосновение губки с электродом.

Для проведения плавки печи вакуумируют и заполняют инертным газом. Из бункера через вибрационный питатель на дно медной изложницы подаётся шихта. Затем зажигается дуга. По мере расплавления шихты в тигель добавляют новые порции её. Длина дуги поддерживается в пределах 12,5 мм. Для стибилизации и вращения дуги, а также для обеспечения перемешивания расплава вокруг наружного корпуса печи устанавливают подвижный или неподвижный соленоид. В практике изготовления слитков титана и его сплавов предпочтение отдают неподвижному соленоиду.

Движение подвижного соленоида следует производить синхронно за перемещением зоны горения дуги. Комбинация электромагнитного поля, создаваемого соленоидом, и поля дуги приводит дугу во вращательное, закручивающееся, подобно штопору, движение. Это расширяет анодное пятно, вызывает интенсивное вращение жидкого металла в изложнице, что способствует его перемешиванию и выравниванию химического состава. По получении слитка необходимой длины подача шихты прекращается. Слиток остывает в изложнице до 700 °С. Затем его извлекают на воздух.

Один из основных недостатков плавки с не расходуемым электродом - длительность процесса, вызываемая необходимостью полной дегазации металла. В печах этого типа трудно плавить скрап вместе с губкой или дозировать легирующие присадки. Поэтому дуговые печи с не расходуемым электродом используют сравнительно редко.

Схема устройства дуговой печи с расходуемым электродом приведена на рис. 46. Подачи электрода в таких печах производится при помощи штанги или роликами.

Для плавки можно использовать как постоянный, так и переменный ток. Большинство установок для плавки титана в настоящее время работают на постоянном токе. Питание печей постоянным током производится от генераторов мощностью 500 - 550 кВт.

Угар титана при плавке составляет 0,1 %.

Плавка в электроннолучевых печах

Схемы печей приведены на рис. 48, 49.

Плавка металла в электроннолучевых печах осуществляется за счет тепловой энергии, выделяющейся при резком торможении электронов, разогнанных до больших скоростей, при встрече с кусками шихты. Источником электронов служит электронная пушка с катодом из вольфрама или тантала, нагретого до температуры 2000 - 2500°С в вакууме.

С помощью фокусирующих и отклоняющих устройств поток электронов, излучаемых электронной пушкой, сосредоточивается в нужном направлении и месте. Во время движения часть энергии электронов расходуется на ионизацию молекул газа. Поэтому одним из условий эффективной работы электроннолучевых установок является создание глубокого разрежения в них. Обычно плавку ведут при остаточном давлении 1*10^-4 мм рт.ст.

Возможность регулировать поток электронов позволяет нагревать расплав до необходимой температуры и сохранять эту температуру сколько нужно. Это в значительной мере упрощает задачу изготовления тонкостенных отливок.

Подготовка отходов к плавке

В процессе производства продукции из титана или его сплавов образуется значительное количество отходов - стружка, обрезь, донные и литниковые части слитка и пр. Поверхность отходов покрыта окалиной, толщина которой зависит от условий обработки сплава. Для того чтобы можно было использовать отходы при последующих плавках, их необходимо очистить от окалины.

Применяют три способа очистки. Толстый слой окалины удаляют механическим путем, более тонкую окалину снимают расплавленными солями, еще более тонкие окисные пленки удаляют травлением в кислотной ванне.

Крупногабаритные отходы очищают от окалины галтовкой и обдувкой дробью в специальных камерах в течение 10 - 15 мин. Далее следует кислотное травление с последующей промывкой в воде и сушкой горячим воздухом при 60°С в течение 20 - 30 мин.

Стружка имеет развитую поверхность и всегда более окислена, чем крупногабаритные отходы. Удаление окалины с поверхности стружки производят травлением.

В качестве травителей могут быть использованы растворы серной (15%-ная), плавиковой, фосфорной кислот, смеси азотной и плавиковой кислот и др. В практике регенерации отходов наиболее часто используют пирофосфорную кислоту при 220°С и раствор HCl (3%-ный) с добавками плавиковой кислоты (2%-ная).

Перед травлением стружку дробят на размер не более 50мм, обеззараживают, просушивают и очищают от железа на магнитных сепараторах. Травление ведут в медных корзинах. После травления стружку промывают в холодной воде.

Сушку ведут горячим воздухом. Средние потери металла при подготовке стружки к плавке составляют 5%.

Плавка циркония и его сплавов

Производство слитков и фасонных изделий из циркония и его сплавов в промышленных масштабах началась с 1953 г. В настоящее время освоена технология плавки и литья слитков массой до 2,0 т. Эта технология имеет много общего с рассмотренной ранее технологией плавки титана.

Плавку циркониевых сплавов можно вести в индукционных и в дуговых печах. Конструкции плавильных печей те же, что и для плавки титановых сплавов (рис. 43-49).

Индукционная плавка находит применение главным образом для изготовления фасонных отливок; ее применяют в тех случаях, когда допускается некоторое загрязнение расплава углеродом (0,08 - 0,3%).

Расплавленный цирконий взаимодействует со всеми известными огнеупорными материалами типа оксидов, карбидов и нитридов. Имеются данные, что такие окислы, как ZrO₂ и ThO₂, загрязняют сплав на основе циркония некоторым количеством кислорода. Наиболее приемлемый материал для изготовления тиглей - графит. Учитывая высокую смачивающую способность расплавленного циркония и проникновение его в поры графита, для изготовления тиглей используют особо плотные сорта электродного графита. Перед плавкой графитовые тигли обжигают при 1800°С. Такая обработка уменьшает возможность загрязнения расплава кислородом.

Графитовый тигель выдерживает от 10 до 30 плавок.

В целях устранения окисления плавку ведут в вакууме 5*10^-2 - 5*10^-3 мм рт. ст. В качестве исходных шихтовых материалов применяют губчатый цирконий, спрессованный в брикеты до плотности 50% и более. Легирующие компоненты вводят в расплав в процессе плавки или смешивают с губчатым цирконием до прессования брикетов.

Плавка в индукционных печах обеспечивает получения однородных по составу сплавов. Сплав заливают в подогретую форму, которую чаще всего изготовляют из графита.

Изготовление слитков из циркония и его сплавов в промышленных условиях осуществляют в дуговых печах в нейтральной атмосфере или в вакууме с остаточным давлением 2*10^-2 мм рт. ст. В качестве нейтральной атмосферы используют смесь аргона и гелия в отношении 1:4. Плавка в инертной атмосфере обеспечивает стабильное горение дуги. Перед заполнением печного пространства смесью аргона и гелия производят 2 - 3 кратную откачку до давления 1,5*10^-1 мм рт. ст. Давление инертного газа в печи доводят до атмосферного.

Плавку ведут в водоохлаждаемой медной изложнице с толщиной стенок 6 - 16 мм. Для создания дуги применяют расходуемый и не расходуемый электроды.

Не расходуемый электрод изготовляют из вольфрама. Плавку ведут с использованием постоянного тока напряжением 50 В. Применение вольфрамового электрода для плавки циркониевых сплавов не получило широкого распространения из-за загрязнения расплава вольфрамом наблюдается при плавке губчатого циркония, который сильно разбрызгивается и попадает на поверхность электрода.

Для уменьшения попадания вольфрама в слиток электрод соединяют с отрицательным полюсом; положительным полюсом является изложница.

Плавка с не расходуемым электродом характеризуется следующими технологическими показателями: скорость плавки 4,5 - 9,0 кг/ч для слитка диаметром 102 мм; расход энергии 6,6 - 13,2 квт*ч/кг; выход металла в слиток 95 - 98%.

Плавка с расходуемым электродом - основной промышленный способ получения слитков из циркония и его сплавов. Электрод изготовляют прессованием в проходную матрицу или спеканием и последующей сваркой в нейтральной атмосфере. Легирующие компоненты вводят в печь в виде брикетов или запрессовывают в расходуемый электрод. В последнем случае их стараются разместить в центре электрода. Для плавки можно применять и постоянный, и переменный ток. Постоянный ток обеспечивает более стабильные условия плавки.

Перемешивание расплава осуществляется при помощи соленоида, укрепленного на поверхности водяной рубашки печи. Расход энергии составляет 0,8 - 1,2 квт*ч/кг, выход металла в слитки 85 - 90%.

Состав слитков, полученных путем расплавления спрессованного электрода, неоднороден. Для выравнивания состава слитки обычно подвергают второй переплавке, при этом размеры их по диаметру увеличиваются. Дуговая плавка с расходуемым электродом обеспечивает получение слитка с менее качественной поверхностью, чем при плавке с вольфрамовым электродом. Поэтому, как правило, припуск на обработку берется большим, чем при плавке с вольфрамовым электродом (от 3 до 25 мм по диаметру).

Подготовка отходов к плавке

Подготовка кускового скрапа состоит в очистке его от масла и окислов.

Обезжиривание производят в четыреххлористом углероде и спирте с последующей сушкой на воздухе. Окислы удаляют путем травления в смеси азотной и плавиковой кислот. Однако этот метод сопровождается значительным растворением металла.

Подготовка стружки к плавке - более сложный и трудоемкий процесс, чем подготовка кусковых отходов.

Удаление эмульсии из стружки достигается центрифугированием с последующей промывкой в растворителях жира - четыреххлористом углероде или спирте и сушкой на воздухе.

Удаление окисленного слоя со стружки производят травлением в смеси различных кислот [70%HNO₃ + 30%H₂O; 50%HCl + 50%HNO₃ (по объему); 49%HNO₃ + 1%HF + 50% H₂O] с последующей промывкой в холодной воде и сушкой на воздухе.

Плавка хрома и сплавов на его основе

Хром является перспективным металлом для работы при повышенных температурах, так как отличается высокой жаропрочностью и стоек против окисления. Температура перехода хрома из хрупкого состояния в пластичное колеблется от -70 до +500°С и зависит от многих факторов, главный из которых - содержание примесей.

В расплавленном состоянии хром взаимодействует со всеми обычными огнеупорными материалами и активно поглощает азот, углерод и кислород. Плавку хрома ведут в индукционных и дуговых вакуумных печах или печах с защитной атмосферой. Для плавки в индукционных печах применяют тигли, изготовленные из окиси тория или глинозема. Глиноземные тигли совершенно непригодны для плавки сплавов, содержащих более 5% титана или циркония. При плавке в дуговых печах с не расходуемым электродом применяют медные водоохлаждаемые тигли.

Особенность плавки хрома и его сплавов - операция раскисления, так как исходный материал всегда содержит некоторое количество окислов (до 2,6%).

Применение защитной атмосферы при плавке (гелий, аргон) предотвращает поглощение азота, а плавка в вакууме приводит к удалению почти всего азота, имевшегося в металле до расплавления. Что касается кислорода, то снизить его содержание в хроме вакуумной плавкой не удается.

Для удаления кислорода расплав обрабатывают водородом или углеродом. В практике производства сплавов для раскисления чаще используют углерод. При раскислении водородом хром, расплавленный в вакууме, выдерживают в течении некоторого времени в токе очищенного водорода при давлении 10 - 15 мм рт. ст. и расходе газа около 0,1 м³/ч (при нормальном давлении). В результате реакции восстановления, проходящей на поверхности расплава, содержание кислорода в хроме снижается. Однако для полного удаления кислорода этим способом требуется сравнительно продолжительное время. Длительная выдержка расплавленного хрома в печи приводит к загрязнению его примесями в результате взаимодействия с футеровкой тигля и значительным потерям на испарения ввиду высокого давления его пара при этих температурах.

Раскисление углеродом - менее продолжительный процесс. Углерод вводят в количестве, несколько превышающем стехиометрически необходимое для связывания всего кислорода, имеющегося в хроме. Плавку ведут в вакууме. В результате взаимодействия углерода с окислами из расплава выделяется окись углерода. Ход процесса контролируется изменением давления над поверхностью расплава. Быстрое падение давление над расплавом указывает на окончание выделение окиси углерода.

При раскислении расплава углеродом особо важное значение имеет правильный выбор момента разливки. Преждевременная разливка вследствие неполного использования углерода приводит к получению сплавов с сеткой карбида хрома в микроструктуре. Слишком поздняя разливка может грозить повторным окислением расплава. Правильный выбор добавки углерода с учетом содержания кислорода в шихте и точное определение момента разливки позволяют снизить содержание кислорода и углерода до 0,02 - 0,5%.

В настоящее время все большее применение получает способ выплавки хрома в дуговых печах с инертной атмосферой, с предварительным рафинированием хрома в твердом состоянии чистым водородом. Применение дуговых печей позволяет совершенно исключить взаимодействие металла с футеровкой, так как плавку ведут в медном водоохлажлаемом тигле.

В качестве электрода при плавке используют тарированный вольфрам или спеченный хром.

Слитки хрома, выплавленные в дуговой печи с вольфрамовым электродом, имеют следующий состав, %: 0,001-Fe, 0,05-Si, 0,003-O₂, 0,002-N₂, 0,005-Н₂, 0,01W, остальное хром.

Перед началом работы из печи откачивают воздух, а затем заполняют ее смесью очищенных гелия (80%) и аргона (20%). Избыточное давление газа принимают равным 10 - 15 мм рт. ст. сверх атмосферного.

Для изготовления фасонных отливок используют сплавы, состав которых приведен в таблице 36.

Плавка молибдена и его сплавов

Плавку молибдена и сплавов на его основе ведут в дуговых печах с расходуемым электродом в вакууме 1 - 5*10^-4 мм рт. ст. или в атмосфере аргона.

Расплавление расходуемого электрода осуществляют в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе; для фасонного литья используют гарниссажные печи с медным или графитовым тиглем.

Расходуемые электроды изготовляют методом порошковой металлургии - из порошка молибдена прессуют штабики квадратного сечения, спекают их в водороде, а затем сваривают, рихтуют и шлифуют бесцентровой шлифовкой.

Для получения поверхности слитка лучшего качества плавку необходимо вести на постоянном токе; расходуемый электрод должен подсоединятся к отрицательному полюсу.

Особенность плавки молибдена - необходимость его раскисления. Технический молибден содержит до 0,01% кислорода. Раскисление молибдена может быть осуществлено углеродом, водородом или алюминием. Наиболее перспективно раскисление алюминием. При этом плавку надо вести в атмосфере аргона. При плавке в вакууме раскисление молибдена осуществляют введением 0,01% углерода. Применение углерода в качестве раскислителя при плавки в аргоне недопустимо из-за образования пористости в слитке.

С учетом изменения пластичности содержания большинства легирующих элементов в деформируемых молибденовых сплавов не превышает обычно 1%. Состав некоторых молибденовых сплавов приведен в таблице 37.

При изготовлении сплавов легирующие присадки вводят путем подачи их в ванну расплавленного металла в виде гранул и порошка.

Плавка ниобия и его сплавов

Ниобий так же, как и другие тугоплавкие металлы в расплавленном состоянии, активно взаимодействует с печными газами и большинством огнеупорных материалов.

В связи с этим выплавку ниобия производят в вакууме или в защитной атмосфере. В зависимости от требований к сложности конфигурации отливок плавку ниобия ведут в дуговых, индукционных и электроннолучевых печах с применением медных кристаллизаторов и тиглей с гарниссажем (графитовых и медных). При плавки в вакууме остаточное давление не должно превышать 2*10^-2 мм рт. ст.; плавку в атмосфере аргона или гелия ведут при давлении 300 - 400 мм рт. ст.

Получение расплавов с малым содержанием газов обеспечивается раскислением вследствие диссоциации химических соединений в вакууме и введением раскислителей. При плавке в вакууме наиболее эффективные раскислители ниобия - углерод, церий и иттрий.

Исходным материалом для выплавки слитков ниобия являются штабики размером 16*18*500 мм, полученные методом порошковой металлургии. Методом стыковой сварки под флюсом из штабиков изготавливают расходуемый электрод длиной 1,5 - 2,5 м. Сваренные электроды зачищают наждаком и собирают в пакеты по 4 - 12 штук в зависимости от мощности плавильной печи.

Наиболее перспективный метод получения ниобиевых сплавов - плавка легированных штабиков, состав которых отвечает составу сплава. Такие штабики получают путем совместного восстановления окислов ниобия и окислов легирующих компонентов углеродом. Плавку ведут в электроннолучевых печах. Ниобиевые сплавы можно готовить в дуговых вакуумных печах с расходуемым электродом. В этом случае легирующие компоненты в виде полос или кусков присоединяют к расходуемому электроду.

Химический состав некоторых ниобиевых сплавов приведен в таблице 38.

Плавка вольфрама и тантала

Технология плавки вольфрама и тантала аналогична плавки молибдена. Как правило, для плавки используют дуговые и электроннолучевые печи. Расходуемый электрод изготовляют методами порошковой металлургии. Плавку тантала можно вести и с использованием нерасходуемого электрода.

Литература

1. «Литейное производство цветных и редких металлов»; А.В. Курдюмов, М.В. Пикунов, В.М. Чурсин; Москва 1972, Издательство «Металлургия»

2. «Литейное производство цветных и редких металлов»; 2-е издание. А.В. Курдюмов, М.В. Пикунов, В.М. Чурсин; Москва 1982, Издательство «Металлургия»

плавка тугоплавкий металл печь

Таблица №34

Размещено на Allbest.ru