» » Плавка молибдена, титана и других тугоплавких металлов
30.05.2015

Тугоплавкие металлы — молибден, вольфрам, титан, цирконий и другие — получают в порошкообразном состоянии в результате восстановления их окислов. До недавнего времени единственным путем превращения порошков в компактные металлы был метод порошковой металлургии, недостатками которого являются ограниченные размеры получаемых изделий, высокое содержание кислорода, водорода и других газов, снижающих пластичность и химическую стойкость металлов, а также затрата большого количества ручного труда. Эти недостатки устраняются при получении литых металлов в электродуговых печах, обеспечивающих высокую температуру, высокую производительность и получение слитков любых размеров.
Удельный расход электроэнергии на плавление металлов в электродуговой печи значительно меньше, чем при их сварке в металлокерамическом процессе, что объясняется кратковременностью плавки. Так, для молибдена удельный расход электроэнергии при дуговой плавке меньше в девять раз. Поскольку расплавленные тугоплавкие металлы, особенно титан и цирконий, взаимодействуют со всеми огнеупорами, а графит в большинстве случаев науглероживает и снижает пластические свойства металлов, процесс приходится осуществлять с металлическим водоохлаждаемым тиглем.
Дуговые печи для плавки тугоплавких металлов работают на постоянном и переменном токе с нерасходуемым и расходуемым электродом. В последнее время предпочтение отдают постоянному току, позволяющему получать очень устойчивую вольтову дугу.
Печи с нерасходуемым электродом широко применялись в начальный период развития электродуговой плавки тугоплавких металлов. В этом случае металл загружали в печь в виде порошка или губки, а в качестве электрода применяли торированный вольфрам, графит или карбид выплавляемого тугоплавкого металла.
В настоящее время распространение находят печи с расходуемым электродом, позволяющие получить более чистый и пластичный металл при меньшей затрате энергии. Расходуемые электроды получают прессованием порошка или губки выплавляемого металла с последующим спеканием вне или внутри плавильного агрегата. В шихту иногда добавляют до 30% скрапа. Прессование при высоких давлениях обеспечивает возможность получения достаточно прочных электродов, которые можно сваривать между собой. Плавку с расходуемым электродом обычно ведут с одновременной добавкой в плавильное пространство металла в виде губки в количестве до 50% от веса слитка.
Плавка молибдена, титана и других тугоплавких металлов

На рис. 23 представлена схема установки полунепрерывного действия для вакуумной плавки молибдена, позволяющая выплавлять слитки диаметром 285 мм, длиной 1200 мм и весом 450 кг; эта же печь дает возможность получать слитки до 1000 кг. Молибденовый порошок с соответствующими легирующими добавками из бункера вибрационным питателем подают в матрицу, в которой с помощью гидравлического пресса и пуансона осуществляется постепенное напрессовывание электрода. Необходимый для прессования подпор порошка снизу создается за счет трения порошка о боковые стенки матрицы.
На выходе из матрицы установлены водоохлаждаемые контактные щетки и несколько ниже — вторые щетки. При помощи щеток через спрессованный электрод пропускают ток, необходимый для его спекания. Нижние щетки, кроме того, подводят ток для плавления.
Бункер для шихты, вибрационный питатель и устройство для прессования и спекания электродов находятся под вакуумом. Вакуумная система позволяет снижать давление в печи до 0,018 мм рт. ст. Легирующие добавки вводят обычно при прессовании электрода.
В слитках, выплавленных без применения раскислителей, окислы молибдена выделяются по границам первичных кристаллов, нарушая их спайность и снижая пластичность металла. В качестве раскислителя применяют углерод в количестве 0,02—0,05%, хорошему раскислению молибдена способствуют вакуум и высокая температура в зоне электрической дуги. При таком методе раскисления содержание кислорода в литом молибдене не превышает 0,003%, а остаточное содержание углерода ниже 0,03%. Содержание остальных примесей в плавленом и спеченном компактном молибдене приведены в табл. 12.
Плавка молибдена, титана и других тугоплавких металлов

В описанной вакуумной дуговой печи можно плавить также вольфрам и сплавы молибдена с вольфрамом. Вместе с тем следует заметить, что обработка молибденовых слитков, выплавленных в вакууме, отличается от существуюш,ей в связи с иной микроструктурой металла.
Установка для плавки титана приведена на рис. 24. Применение метода непрерывного прессования титана непосредственно в печи встретило затруднение, поскольку для автоматического прессования требуется мелкозернистый материал, а измельчение титановой губки в порошок нежелательно в связи с окислением его и увеличением адсорбции азота. Соответственно в случае титана в верхнюю камеру вакуумной печи подают готовые электроды, которые после сваривания поступают в плавку. Применяемые для плавки титана печи в большинстве своем имеют водоохлаждаемый тигель без опускающегося дна. Специальная катушка образует магнитное поле, заставляющее боковые дуги располагаться по кольцу тигля и одновременно перемешивающее содержимое его.
Плавка молибдена, титана и других тугоплавких металлов

Такая печь может быть использована и для плавки циркония. Производительность ее по титану при 8000 а 4,2—5.2 кг/мин. При плавке титановой губки в зависимости от ее характера выделяется от 0,3 до 3 л газа на 1 кг, главным образом водорода, кислорода, азота. Причем плавка в атмосфере аргона или гелия не позволяет полностью удалить эти газы. Особенно вредное влияние на механические свойства титана оказывает водород, вызывающий выделение игольчатых кристаллов гидрида титана, уменьшающих вязкость металла. Полагают, что содержание водорода в титане не должно превышать 0,015%, чего весьма трудно добиться при плавке в атмосфере инертного газа. Но при плавке в вакууме содержание водорода в титане может быть снижено до 0,002—0,005%.
Современные дуговые печи с расходуемым электродом позволяют выплавлять слитки титана, циркония и других тугоплавких металлов, а также сплавов на железной основе весом до 5400 кг и диаметром 660 мм.
В последнее время для плавки тугоплавких металлов предложен способ электронного нагрева. Подобную плавку металлов с использованием электронной бомбардировки ведут в вакуумных печах, аналогичных дуговым печам с расходуемым электродом, при остаточном давлении 10в-4—10в-5 мм рт. ст. Переплавляемый металл в виде прутков, стружки или порошка подают в печь через верхний вакуумный затвор. Попадая в печь, металл нагревается и расплавляется пучком электронных лучей, получающихся от обычных источников, например от вольфрамового электрода. Для разгона электронов создают электрическое поле с высоким отрицательным напряжением. Специальная фокусирующая система производит концентрацию электронов на переплавляемом металле, Под действием электронной бомбардировки металл плавится, стекает в кристаллизатор и в виде непрерывного слитка удаляется из печи через второй нижний вакуумный затвор. Метод был применен для плавки и рафинирования титана, циркония и ниобия. Поскольку в данном случае практически отсутствует верхний температурный предел, метод этот может найти применение для плавки и рафинирования особо тугоплавких металлов и их соединений.