Производство слитков из медных и никелевых сплавов

В отличие от заготовительного литья слитков из легких сплавов значительное количество слитков (примерно 20...40 %) из медных и никелевых сплавов получают в настоящее время традиционным наполнительным литьем в изложницы, главным образом, в водоохлаждаемые. Это связано с тем, что объем производства слитков из медных и никелевых сплавов сравнительно невелик и затраты на изготовление и эксплуатацию установок непрерывного литья удорожают продукцию. Наполнительное литье в изложницы характеризуется использованием сравнительно простого в эксплуатации и недорогого оборудования. Однако при этом доля ручного труда при его обслуживании велика, способ литья слитков в изложницы трудно механизировать. Существенным недостатком наполнительного литья является трудность получения плотного слитка, так как сложно осуществить направленное затвердевание металла в изложнице. Кроме того, при получении слитков большой длины при заливке металла сверху происходит разбрызгивание металла и образование дефектов в поверхностных слоях слитка (раковин, несплошностей, трещин и ДР).

Слитки из цинка и цинковых сплавов получают методами наполнительного и непрерывного литья. Большую часть цинковых слитков изготавливают литьем в горизонтальные водоохлаждаемые изложницы. Заполнение изложниц ведут непосредственно из наклоняющихся плавильных печей (рис. 175) через стальные воронки с перфорированным дном (диаметр отверстий 5 мм). На дно воронок для отделения крупных оксидных плен и включений шлака помещают сетку из стеклоткани с размером ячейки 1x1 или 0,5x0,5 мм.

Изложницы представляют собой горизонтальные медные во- Доохлаждаемые поддоны с боковыми стенками из массивных чугунных блоков сечением 100^х 130 мм. В такие изложницы отливают слитки размером до 660x530x75 мм массой до 200 кг за

60...80 с. После заполнения изложниц из них извлекают воронку и с поверхности расплава удаляют всплывшие оксидные плены и шлак. Для замедления охлаждения верхней части слитка с целью получения столбчатой структуры изложницы закрывают крышкой с элекгроподогревом. После кристаллизации и охлаждения до 250...300 С слиток извлекают из изложницы, помещают в термостат и сразу же направляют на теплую прокатку без дополнительного подогрева.

С целью более глубокой очистки сплава цинка, используемого для изготовления газетных клише, расплав в процессе заполнения изложниц подвергают фильтрованию через зернистые или керамические фильтры, устанавливаемые в воронки. Заливку слитков ведут при температуре расплава 450...470 °С.

Перспективным является процесс непрерывного литья полосовой заготовки из цинковых сплавов, который позволяет повысить качество продукции, существенно увеличить производительность труда и совместить отливку с прокаткой полосовой заготовки в одной установке.

ПРОИЗВОДСТВО СЛИТКОВ ИЗ СПЛАВОВ БЛАГОГОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Слитки из сплавов благородных металлов в зависимости от масштаба производства изготавливают методами наполнительного и непрерывного литья. Небольшие по массе слитки при небольшом масштабе производства получают литьем в неводоохлаждаемые металлические (стальные, чугунные, медные) и неметаллические (графит, туф) изложницы. Для предотвращения образования газовых пор слитки ряда сплавов отливают в вакууме. Более крупные плоские слитки отливают в изложницы с водоохлаждаемым поддоном. При производстве листов и лент из чистого золота используют слитки, выпускаемые аффинажными заводами.

При больших объемах производства изготовление слитков из сплавов благородных металлов осуществляют методами полунепрерывного (см. рис. 142) и бесструйного литья (см. рис. 167).

Основным требованием к технологии литья является создание условий для направленного затвердевания слитков снизу вверх к зоне жидкого металла. Этому требованию наиболее полно удовлетворяют литье в водоохлаждаемые кристаллизаторы и бесструнное литье.

Технология литья слитков из сплавов благородных металлов имеет много общего с технологией литья слитков из медных сплавов. Скорость заливки регулируют путем применения воронок с фиксированным числом и диаметром отверстий. При этом скорость подъема уровня металла в изложнице принимают близкой к скорости кристаллизации металла. Полунепрерывное литье слитков ведут в низкие кристаллизаторы со скоростью 2,5...8 м/ч в зависимости от состава сплава и размеров слитков. При литье используют близкие к составу смазки.

Характерной особенностью литья слитков из сплавов на основе серебра и золота в металлические изложницы является необходимость значительных перегревов расплавов (до 1100... 1450 °С для золотых и 1050... 1400 °С для серебряных сплавов), так как они обладают малой теплоемкостью и высокой теплопроводностью. При небольших перепевах получить качественные слитки трудно из-за повышенной склонности сплавов к образованию газовых раковин и низкого качества поверхности. Однако следует отметить, что заливка чрезмерно перегретых сплавов также нежелательна, так как сопровождается повышенным угаром металла, окислением и большими объемными изменениями в процессе охлаждения и кристаллизации. Наибольшие трудности возникают при изготовлении слитков из сплавов с широким интервалом кристаллизации: Аи—С(1 (10...25 %), Аи~8п (5...17 %), Аи— Р* (10 %), А^-Си, А^-Зп и др. Эти сплавы склонны к зональной ликвации и рассеянной газоусадочной пористости, имеют низкие механические свойства в области твердо-жидкого состояния и склонны к горячеломкости. Для получения качественных слитков из таких сплавов необходимо создание условий для направленной кристаллизации. Наибольшее распространение для изготовления слитков из титановых сплавов получил способ переплавки расходуемого электрода в кристаллизаторе вакуумной электродуговой печи.

Сущность способа заключается в следующем: заранее приготовленный из титановой губки и других кусковых шихтовых материалов методом прессования (или каким-либо другим методом) расходуемый электрод плавится электрической дугой и расплавленный металл стекает в жидкую ванну. В течение всего процесса плавки длина выплавляемого слитка непрерывно возрастает и в конце плавки она становится равной высоте изложницы.

Полученный слиток первого переплава неоднороден по химическому составу и поэтому его переплавляют вновь. При втором переплаве в качестве расходуемого электрода используют слиток первого переплава. Для плавки металла в печах, предназначенных для фасонного литья, в качестве расходуемого электрода используют слитки первого переплава.

Жидкий металл в процессе производства слитка непосредственно контактирует только с разреженной атмосферой (открытая поверхность ванны с жидким металлом) и с затвердевшим металлом слитка (донная часть ванны). Это практически исключает насыщение титановых сплавов примесями в процессе плавки и формирования слитка.

ПЕЧИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СЛИТКОВ

В современных вакуумных электродуговых печах получают титановые слитки массой до 30 т, длиной до 5 м, диаметром до 1400 мм.

В промышленности применяются вакуумные электродуговые печи, которые имеют следующие общие элементы: вакуумную камеру, изложницу (кристаллизатор), поддон, электрододержа- тель, систему охлаждения, вакуумную систему, источники питания электрической энергией, контрольно-измерительную аппаратуру, механизмы для перемещения элекгрододержателя, поддона и др. Различаются они только компоновкой отдельных элементов, порядком загрузки в печь расходуемого электрода и выгрузки слитка, габаритными размерами, производительностью.

Наибольшее распространение, как для первого, так и для второго переплавов получили вакуумные электродуговые печи с формированием слитка в медной водоохлаждаемой изложнице (в так называемом “глухом” кристаллизаторе) Ограниченное применение находят печи, в которых слиток получают путем вытягивания из медного водоохлаждаемого кристаллизатора (полунепрерывное литье).\

Самая важная и основная часть печи - изложница. В ней происходит расплавление расходуемого электрода с помощью электрической дуги и формирование слитка. Изложница работает в тяжелых условиях: она испытывает большие тепловые нагрузки. В ее стенках возникают значительные по величине температурные перепады. В зоне горения дуги удельный тепловой поток от слитка к изложнице составляет более 1000 кВт/м². Образующиеся в стенках изложницы высокие термические напряжения могут вызвать ее деформацию и вывести из строя. Этому способствует также разница давления между внешней поверхностью и внутренней (вакуум).

В связи с этим материал, из которого изготовлена изложница, должен обеспечивать отвод от зоны горения дуги большого количества тепла, а ее конструкция должна обладать высокой надежностью и простотой для удобства эксплуатации и ремонта.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛИТКОВ В ВАКУУМНЫХ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧАХ

Технологический процесс изготовления слитков состоит из следующих основных этапов:

1) изготовление расходуемого электрода для первого переплава;

2) плавка расходуемого электрода и получения слитка первого переплава;

3) подготовка слитков первого переплава ко второму переплаву;

4) плавка расходуемого электрода (слитки первого переплава) и получение слитка второго переплава;

5) механическая обработка и контроль качества слитка.

Расходуемый электрод для первого переплава изготавливают из шихтовых материалов путем их прессования с целью получения компактного электрода требуемого размера. Шихтовые материалы состоят из губчатого титана, легирующих компонентов и титановых отходов.

Для получения слитка заданного химического состава в шихту вводят в зависимости от марки сплава следующие легирующие элементы: алюминий, марганец, молибден, ванадий, цирконий, хром, олово, кремний, железо и др. (составы сплавов приведены в гл. 11). Физические свойства этих элементов и в первую очередь такие, как температура плавления, плотность, упругость пара, в большинстве случаев существенно отличаются от аналогичных свойств титана. Поэтому введение легирующих элементов в шихту в чистом виде может привести к получению слитка с недопустимой химической неоднородностью. Так, в ряде промышленных сплавов в качестве легирующего компонента содержится молибден (температура плавления 2620 °С, плотность 1020 г/см³). Если в шихту вместе с титановой губкой вводить куски чистого молибдена, то при плавке он практически не растворится в жидком титане. В процессе плавки торец расходуемого электрода нагревается до температуры плавления титана 1665 °С, и капли жидкого титана стекают в ванну (рис. 181). Молибден при этом не расплавляется на торце расходуемого электрода и в виде твердого куска падает в ванну. Так как плотность его значительно выше плотности жидкого титана, то кусок молибдена опускается на дно ванны, в нижней части которой жидкий титан затвердевает. Молибден, не успев раствориться в жидком титане, остается в виде включения в слитке. Второй переплав полученного слитка также не приводит к растворению молибдена. Поэтому молибден и целый ряд тугоплавких и других элементов вводят в шихту в виде лигатур. Для получения слитка более однородного химического состава лигатуры не должны существенно отличаться от титана по температуре плавления. Если температуры плавления лигатуры и титана близки, то расплавление лигатуры происходит на торце расходуемого электрода. В этом случае легирующий компонент будет равномерно распределяться по объему жИдкой ванны. Поэтому все элементы, значительно отличающиеся по температуре плавления титана, вводятся в шихту в виде лигатур (вольфрам, молибден, алюминий, олово и др.). Элементы, имеющие близкую к титану температуру плавления, вводят в шихту в виде технически чистых металлов.

Первый переплав расходуемого электрода. Отпрессованный электрод загружают в печь. После герметизации и откачивания воздуха электрод приваривают к огарку. Проверяют величину натекания и давления в печи и при соответствии их норме начинают плавку.

Оптимальное соотношение между диаметром расходуемого электрода и внутренним диаметром изложницыподдерживать в пределах — 0,84...0,86.

После зажигания дуги в течение 25...30 мин плавку ведут на пониженной мощности во избежание прожога поддона. После появления первых порций жидкого металла силу тока на дуге и напряжение увеличивают до номинальных значений: 35...37 кА и

46...50 В. По окончании плавки слиток оставляют в печи для охлаждения до 400...500 °С.

Второй переплав расходуемою электрода. После выгрузки слиток готовят ко второму переплаву. Титановая губка содержит хлористые соли, которые при плавке расплавляются и испаряются. Они частично конденсируются на стенках изложницы и затем привариваются к поверхности слитка. Поэтому горячие слитки направляют в моечную установку, где металлическими щетками в проточной воде с их поверхности удаляется слой хлоридов. Затем на токарном станке обрезают короны слитков и обтачивают по образующей окисленные места слитка.

Второй переплав проводят, как уже указывалось выше в основном для устранения химической неоднородности слитка первого переплава. В целом параметры и режим плавки аналогичны первому переплаву, но в конце плавки величину тока и напряжение снижают с целью предотвращения образования в слитке глубокой усадочной раковины.

Выведение усадочной раковины выполняют в две стадии: подготовительной и основной. За время подготовительной стадии в течение 10... 15 мин ток на дуге снижают до 10.. 12 кА, а напряжение - до 30 В. За время основной стадии ток плавно снижают до

2,5-5.0 кА, а напряжение - до 22 В. Продолжительность этапа выведения растет с увеличением диаметра выплавляемого слитка. Так, при выплавке слитка диаметром 850 мм режим выведения длится 2,5 ч, а рабочий процесс плавки 4 ч. В настоящее время все большее распространение находит процесс плавки без выведения усадочной раковины с целью повышения производительности и экономичности.

При производстве крупных слитков (8.^10 т и более) используют расходуемый электрод, составленный из двух слитков первого переплава, которые сваривают по литниковым торцевым поверхностям на специальной* установке аргоно-дуговым методом. Так, чтобы получить слиток диаметром 650...950 мм и длиной до 4000 мм, расходуемый электрод для второго переплава сваривают из двух слитков первого переплава диаметром 560...850 мм и длиной 2000...2600 мм, каждый из которых в свою очередь был получен при первом переплаве из прессованных расходуемых электродов длиной 4000...5000 мм и диаметром 450...650 мм.

После установки расходуемого электрода в печь, ее герметизации и вакуумирования электрод приваривают через переходник к электрододержателю.

Полученный слиток после повторной переплавки обтачивают на токарных слиткообдирочных и токарно-винторезных станках. Поверхностные слои слитка имеют целый ряд дефектов (несли- тины, наплывы, раковины, окисленные поверхности и др.). Поэтому обдирку производят на глубину 5...20 мм. Масса слитка при этом уменьшается на 7... 12 %.

После механической обработки слитки направляют на контроль качества, который включает определение химического состава сплава, замер твердости на поверхности слитков, ультразвуковой контроль в целью выявления внутренних дефектов и. испытание образцов для определения механических свойств.