Получение титановых слитков из недробленых блоков губчатого титана методом электронно-лучевой плавки

17.07.2018
Титан и сплавы на его основе благодаря высокой удельной прочности и коррозийной стойкости в последнее время находят все более широкое применение в авиа- и ракетостроении, химическом и энергетическом машиностроении, авто- и судостроении, а также при изготовлении медицинского оборудования и спортивного инвентаря.

Решающим критерием при принятии разработчиками новых изделий решения об использовании титана вместо альтернативных конструкционных материалов является соотношение цена/качество. Поэтому снижение себестоимости титановых слитков как исходного звена для производства полуфабрикатов одновременно с повышением их качества является актуальной задачей.

В последние годы в металлургическом производстве титана все большее применение находит технология электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью (ЭЛПЕ), которая обладает рядом преимуществ, по сравнению с традиционной технологией вакуумно-дугового переплава (ВДП).

Во-первых, при ЭЛПЕ отсутствует необходимость изготовления прессованного электрода из кускового губчатого титана и в качестве исходной шихты можно использовать до 100 % титанового лома.

Во-вторых, за счет перелива металла через промежуточную емкость технология ЭЛПЕ обеспечивает гарантированное удаление тугоплавких включений, состоящих из насыщенных азотом включений а-титана и карбидов тугоплавких металлов. В настоящее время ведущие авиастроительные фирмы США используют переплав с промежуточной емкостью как обязательный этап получения титановых слитков для деталей ответственного назначения.

Наконец, технология ЭЛПЕ также позволяет выплавлять квадратные слитки и слитки-слябы, что невозможно при ВДП, и, таким образом, значительно снижать себестоимость производства титанового листа на последующем переделе — прокатке.
Получение титановых слитков из недробленых блоков губчатого титана методом электронно-лучевой плавки

С целью дальнейшего снижения себестоимости и трудоемкости изготовления слитков титана из первичного сырья в ИЭС им. Е.О. Патона впервые в мире разработана технология ЭЛПЕ недробленых блоков губчатого титана массой 0,7 т (рис. 1), что позволяет исключить из технологического цикла производства слитков не только этап прессования расходуемого электрода для последующего переплава, но и операцию дробления блоков губчатого титана на куски размерами до 70 мм.

Как известно, поверхностный слой блока крицы имеет повышенное содержимое примесей кислорода, азота, хлоридов магния и пр., которые в процессе плавки не удаляются, а переходят в слиток, снижая его качество. По традиционной технологии удаление такого дефектного слоя с поверхности блока крицы происходит при его разделке путем механической вырубки, которая является трудоемким процессом, приводящим к безвозвратным потерям металла. Разработанная технология ЭЛПЕ недробленых блоков губчатого титана включает этап электронно-лучевого оплавления поверхности блока, что позволяет удалять дефектный поверхностный слой блока губчатого титана непосредственно в электронно-лучевой установке. Оплавление поверхности блоков крицы массой 0,7 т осуществляли в специализированной электронно-лучевой установке оплавления УЭ185 (рис. 2). Процесс оплавления проходил стабильно, электроннолучевые пушки работали устойчиво.

Очищенные от дефектного поверхностного слоя блоки крицы переплавляли в электронно-лучевой установке с промежуточной емкостью, формируя слитки нужной формы и размеров (рис. 3).


В процессе плавки недробленого блока губчатого титана образования брызг жидкого металла и твердых частиц с оплавляемой поверхности расходуемой заготовки, характерного для плавки дробленой губки, не обнаружено (рис. 4). Это обусловлено отсутствием абсорбированной влаги внутри блока, а также предварительной дегазацией поверхности блока при ее электронно-лучевом оплавлении. Плавки блоков губчатого титана осуществлялись со скоростями плавки кусковых отходов титана.

Для исследования распределения примесей по длине и поперечному сечению от экспериментального слитка-сляба было отобрано 15 проб в виде стружки для спектрального анализа и в виде кусочков для газового анализа. Пробы отбирали в трех местах (край, центр, край) от верхнего торца сляба, а также на расстоянии 400, 800, 1200 и 1600 мм от верха сляба (рис. 5). Перед отбором проб указанные места боковой поверхности зачищали.

Содержание азота, кислорода, водорода, железа и углерода в экспериментальном слитке-слябе из нелегированного титана представлено в табл. 1.


Анализ полученных результатов показал, что распределение примесных элементов по длине и поперечному сечению слитков-слябов равномерное, а их содержание находится в пределах требований стандартов для нелегированного титана (см. табл. 1).

Исследование макроструктуры поперечных темплетов слитков-слябов показало, что металл плотный, однородный, дефекты в виде пор, раковин, трещин и неметаллических включений отсутствуют.

Сравнение выхода годного металла показало, что при плавке крицы и кусковых отходов потери титана из-за испарения фактически одинаковые и на 30...40 % меньше, чем при плавке дробленой губки фракции 12...70 мм (рис. 6).


Предложенная технология ЭЛПЕ блоков губчатого титана обеспечивает повышение на 20 % технико-экономических показателей, в сравнении с ЭЛПЕ губчатого титана фракции 12...70 мм.

В настоящее время после реконструкции цеха восстановления губчатого титана Запорожский титаномагниевый комбинат производит блоки массой 3,8 т (рис. 7).

Для реализации разработанной технологии электронно-лучевой плавки недробленого блока губчатого титана в ИЭС им. Е.О. Патона создана электронно-лучевая установка УЭ5810 с промежуточной емкостью (рис. 8), не имеющая аналогов в мире и позволяющая совмещать процесс оплавления боковой поверхности блока на этапе предварительного подогрева и процесс плавки в одной вакуумной камере.

Согласно предложенного технологического процесса, в электроннолучевой установке УЭ5810 перед началом плавки поверхность блока крицы оплавляют путем развертки электронного луча вдоль линии, образованной пересечением поверхности блока крицы с горизонтальной плоскостью, которая проходит через ось блока. В процессе оплавления поверхности блока крицы ванна жидкого металла, глубина которой равнялась толщине дефектного слоя, сливается в охлаждаемую водой изложницу, где и происходит затвердевание расплава в виде монолитного слитка-электрода. Этот электрод может быть использован для получения литых фасонных заготовок и деталей, которые допускают повышенное содержание примесей, или как лигатура при производстве сталей и жаропрочных сплавов. В процессе оплавления поверхность блока крицы освобождается от насыщенного вредными примесями дефектного слоя. Затем блок крицы подают толкателем в зону плавки над промежуточной емкостью, где и происходит ее плавление.

Электронно-лучевая установка УЭ5810 позволяет выплавлять слитки титана с максимальным диаметром 1200 мм, длиной 4000 мм или слитки-слябы с поперечным сечением до 1320x420 мм, длиной 4000 мм непосредственно из недробленых блоков губчатого титана.

Разработанная в ИЭС им. Е.О. Патона HAH Украины технология электронно-лучевой плавки недробленых блоков губчатого титана для получения высококачественных слитков и слитков-слябов, а также созданное специализированное оборудование для реализации указанной технологии в условиях промышленных предприятий позволили организовать в Украине конкурентоспособное на мировых рынках производство высококачественных слитков и слитков-слябов титана.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: