» » Электродуговая плавка титана в охлаждаемом медном тигле
07.02.2017

Электродуговая плавка в охлаждаемом медном тигле осуществляется в нескольких вариантах. По одному из них плавка осуществляется путем создания электродуги постоянного тока между титаном, помещенным в охлаждаемый тигель, служащий анодом, и стержнем с вольфрамовым наконечником, служащим подвижным катодом (рис. 130).
В медный тигель помещают небольшой отрезок от слитка предыдущей плавки титана. По мере расплавления титана в кожух печи, в область пламени электродуги, из бункера при помощи шнекового питателя непрерывно подают измельченную титановую губку, а электрод постепенно поднимают при помощи специального механизма, следуя за нарастающим уровнем расплавляемого титана. Нижняя часть слитка быстро застывает в охлаждаемом медном тигле. Для получения более крупных отливок применяют непрерывное вытягивание вниз застывшого слитка при помощи механизма, опускающего охлаждаемое дно тигля.
Электродуговая плавка титана в охлаждаемом медном тигле

Вытягивание слитка в процессе его наплавления возможно потому, что расплавленный титан не смачивает поверхности охлажденной меди. При непрерывном вытягивании застывающего слитка должны быть применены автоматические или полуавтоматические приспособления, регулирующие скорость вытягивания слитка в соответствии со скоростью расплавления металла, т. е с количеством электроэнергии, затрачиваемой на расплавление металла.
В печи постоянного тока с вольфрамовым катодом при мощности около 64—100 квт скорость расплавления составляет 270—450 г/мин.
При дуговой плавке одновременно в расплавленном состоянии находится относительно небольшая часть металла
Электродуговая плавка обеспечивает быстрое расплавление металла и тем самым высокую производительность процесса.
Держатель вольфрамового наконечника у верхнего электрода охлаждается проточной водой. Охлаждение как вольфрамового, так и медного электродов почти полностью устраняет взаимодействие этих металлов с расплавом и загрязнение ими последнего, за исключением случаев сильного разбрызгивания расплавленного титана, когда жидкий металл попадает на поверхность вольфрамового электрода. Так, анализ выплавленного таким образом титана показал содержание в нем меди до 0,05% и вольфрама до 0,05—0,08%.
Кожух печи представляет собой герметичную камеру, заполняемую инертным газом (аргоном или гелием) под давлением несколько выше атмосферного во избежание подсоса воздуха
Переплавленный в электродуговой печи титан содержит примеси: до 0,2% О, около 0,05% N и около 0,01% Н.
Содержание углерода в титане, переплавленном в медном тигле при помощи вольфрамового электрода, практически то же, что и в исходной титановой губке и составляет около 0,05% или меньше.
Применение дуговой плавки с вольфрамовым электродом требует высокой чистоты исходной титановой губки. Примесь хлорида магния, интенсивно испаряющегося при плавке, приводит к разбрызгиванию расплавленного металла, который, попадая на вольфрамовый электрод, ускоряет его разъедание и загрязняет титан вольфрамом. При этом примесь вольфрама распределяется неравномерно, поскольку одновременно в расплавленном состоянии находится только часть слитка.
Кроме того, при хранении губки, содержащей повышенное количество хлористого магния, в результате гидролиза под действием влаги воздуха образуется хлорокись магния, кислород которой в процессе дальнейшей плавки переходит в титан, повышая твердость слитка и вызывая затруднения при последующей обработке давлением.
Чтобы устранить трудности, связанные с применением вольфрамового электрода, применяют графитовый наконечник. Для уменьшения загрязнения титана углеродом при использовании графитового электрода его предварительно обрабатывают, — погружают в расплавленный титан с целью образования на его поверхности плотной и тугоплавкой пленки сплава карбида титана с титаном (образуется твердый раствор ка основе TiC).
Может быть использован также наконечник из спеченного карбида титана, обработанного расплавленным титаном.
При увеличенном диаметре медного тигля предусматривают приспособление для непрерывного кругового перемещения пламени дуги (например, наложением переменного магнитного поля) с тем, чтобы обеспечить равномерный прогрев и проплавление металла по всему сечению образующегося слитка.
За последнее время наибольшим распространением пользуется метод, позволяющий практически полностью исключить загрязнение слитка посторонними примесями из материала электрода посредством применения электрода из того же материала, что и расплавляемый металл, т. е. в данном случае из титана. Этот метод называется дуговой плавкой с расходуемым электродом. Такой метод описан выше применительно к производству плавленого молибдена. С некоторым изменением он может быть применен также в производстве титана и циркония.
Применение метода непрерывного наращивания электрода путем автоматического выпрессовывания порошка в цилиндрические брикеты (описанного выше для плавки молибдена) в производстве титана и циркония встретило затруднения.
Объясняется это тем, что конструкция приспособления для автоматического выпрессовывания требует мелкозернистого порошка, а измельчение титановой губки в мелкозернистый порошок приводит к его окислению и повышению количества адсорбированного азота. Поэтому для изготовления электродов из титановой (или циркониевой) губки, состоящей из кусочков размерами 5—10 мм. а иногда и больше, разработаны другие методы.
По одному из методов электроды изготавливают путем предварительного прессования брикетов из измельченной губки вне дуговой печи. Затем брикеты сваривают в штанги, служащие электродом. Эта сварка может осуществляться не посредственно в верхней части камеры электродуговой печи в атмосфере инертного газа, заполняющего всю печь.
Для более экономичного расходования титанового электрода в зону расплавляемого металла можно непрерывно подавать измельченную титановую губку из бокового бункера, Таким образом, примерно половина расплавляемого металла получается за счет расходуемого электрода, а половина за счет поступающей губки.
Электродуговая плавка титана в охлаждаемом медном тигле

Один из вариантов дуговой плавки с расходуемым электродом, по которому двойная переплавка металла производится с целью повышения однородности слитка, представлен на рис. 131. Титановый слиток в медном охлаждаемом тигле — электроде 1 образуется из металла, который расплавляется при помощи расходуемого титанового электрода 2. Электрод непрерывно наращивается путем переплавки измельченной губки при помощи вспомогательного электрода 3 с вольфрамовым или графитовым титанированным наконечником. Порошок титана непрерывно поступает из бункеров при помощи шнековых питателей в зоны обоих дуг.
При использовании вольфрамового электрода в электродуговой плавке титана предпочтительнее применять постоянный ток с напряжением 20—30 в, при котором электрод служит катодом. В этом случае катод разогревается примерно до 2700—3200°, что намного ниже температуры титанового анода, расположенного в медном тигле, в результате чего сокращается расход электроэнергии и уменьшается износ катода и загрязнение титана вольфрамом.
При использовании расходуемого титанового электрода можно применять переменный ток, так как в этом случае высокая температура титанового электрода также используется для расплавления титана что повышает производительность процесса плавки При переменном токе температура может доходить до 4000—4500°.
Применение электродуговой плавки, в особенности с переменным током, а также в вакууме создает иногда затруднения, связанные с недостаточной стабильностью пламени дуги. Стабилизация дуги переменного тока может быть улучшена наложением вспомогательного слабого тока высокой частоты с числом колебаний, близким к частоте радиотоков. Кроме этого к исходной измельченной губке перед ее брикетированием рекомендуют добавлять небольшое количество магния (несколько десятых процента) в форме стружки или обрезков проволоки. Образующиеся пары магния стабилизуют пламя дуги
Плавка титана в дуговой печи в медном охлаждаемом тигле имеет преимущество но сравнению с плавкой в графитовом тигле, так как в этом случае отсутствует поглощение углерода, в результате чего получающийся слиток более удобен для механической обработки как давлением, так и резанием. Недостаток же дуговой плавки заключается в том, что в дуговой печи одновременно расплавляется не весь слиток, что способствует неравномерности распределения в нем примесей. Особенно важное значение этот недостаток приобретает при производстве сплавов на основе титана когда необходимо обеспечить равномерное распределение легирующих добавок по всему объему слитка. В этих случаях необходимо особенно тщательно составлять исходную шихту для брикетирования или подвергать слиток вторичной переплавке например путем его использования в качестве расходуемого электрода после проковки до меньшего диаметра.
Для обеспечения большей однородности состава слитка, а также для повышения производительности как плавильной печи, так и оборудования на последующих операциях обработки слитков давлением стремятся получать слитки возможно большего диаметра. Так, в новых конструкциях американских дуговых печей для плавки титана и его сплавов использовался расходуемый электрод диаметром около 350 ям с получением слитка диаметром около 600 мм, что создает значительный объем металла, единовременно расплавляемого в зоне электродуги.
В последнее время опубликованы сообщения о разработке конструкции автоматической вакуумной дуговой печи для двойной переплавки титана и его сплавов в слитки весом около 2 т и о подготовке к строительству печи для выплавки 4 т слитков.
Плавка титана или его сплавов в вакууме обеспечивает более полное удаление водорода (до 0,005%). Это оказывает положительное влияние на пластичность металла, так как даже незначительные примеси водорода в титане заметно повышают его хрупкость (рис. 132).
Электродуговая плавка титана в охлаждаемом медном тигле

Возможность получения больших отливок является основным преимуществом способа плавки по сравнению с металлокерамическим метолом изготовления компактного ковкого титана.
Кроме того, преимущество плавки титана по сравнению с металлокерамическим методом (в случае использования для последнего также магниетермического титана) заключается в лучшей очистке металла от хлористого магния и частично низших хлоридов титана При спекании крупной заготовки титана иногда наблюдается неоднородность структуры спеченного тела, что связано с остатками не удаленного хлористого магния. Этот недостаток металлокерамического метода исключается в случае применения порошка титана, восстановленного из двуокиси.
Недавно были опубликованы описания установки для непрерывного процесса производства титана, включающего операции восстановления четыреххлористого титана отгонку хлористого магния и остатков металлического магния и плавку металла в дуговой электропечи.
Одна из схем установки для непрерывного процесса показана на рис. 133.
Аппарат подобного типа описан как опытный Его испытание показало, что выполнение данного процесса требует весьма тщательной регулировки температуры и скоростей подачи четыреххлористого титана и магния. Хотя в установке предусмотрены соответствующие автоматические устройства, тем не менее синхронизация всех процессов связана с большими трудностями.
Электродуговая плавка титана в охлаждаемом медном тигле