Нерасходуемые электроды для плавки титановых кондиционных отходов в вакуумных гарнисажных печах

17.07.2018
Титан и его сплавы, как наиболее экономичные и надежные в эксплуатации конструкционные материалы, призваны сыграть существенную роль в техническом прогрессе. Использование материалов на основе титана позволяет повысить параметры технологических процессов и производительность оборудования, снизить его металлоемкость. Из года в год расширяется применение титана как по объему производства, так и по областям использования в промышленности. Вслед за авиаракетостроением, судостроением титановые сплавы находят все более широкое применение в нефтехимическом машиностроении, строительстве и других областях промышленности.

Однако широкое использование титановых сплавов сдерживается все еще недостаточным развитием технологических процессов изготовления титановых заготовок и эффективных методов регенерации вторичного титана.

В настоящее время, даже при использовании самой современной технологии получения изделий из титановых сплавов, выход годного остается все еще низким. Большая часть образующихся отходов представляет собой кондиционный металл, загрязненный лишь с поверхности примесями газов, углерода и других элементов.

Проблема рационального использования титановых отходов весьма актуальна, поскольку решение ее позволяет значительно снизить стоимость изделий и увеличить их общий выпуск из дешевого сырья.

С развитием технологии металлургического передела титана возможно ожидать снижения доли отходов, однако пока рост потребления титана опережает темпы роста выхода годного.

Широкое промышленное использование отходов титановых сплавов применительно к литью титановых отливок сдерживается в основном отсутствием простого и надежного метода плавления, позволяющего перерабатывать отходы на существующем плавильно-заливочном оборудовании.

Наиболее перспективным направлением в решении проблемы использования отходов при выплавке титана и его сплавов является оснащение плавильных агрегатов независимыми источниками нагрева, позволяющими легко регулировать перегрев жидкого металла ванны и максимально вовлекать отходы собственного производства в металлооборот.

Применение независимых источников нагрева, к которым относятся дуговые, плазменнодуговые, электроннолучевые, индукционные, исключает такие операции при переработке отходов, как измельчение, прессование или компаудирование расходуемых электродов. При выполнении этих операций неизбежно ухудшается качество металла из-за дополнительного насыщения примесями и возрастает его стоимость за счет использования дорогостоящего оборудования.

Из указанных независимых источников нагрева наименьшее применение в настоящее время получили индукционные. Основная трудность в создании индукционных печей для плавки высокореакционных материалов заключается в низкой стойкости материала тигля.

Широкое использование электроннолучевых источников нагрева ограничивается некоторыми характерными особенностями их работы. Большие значения удельной мощности, подводимой к поверхности ванны, в сочетании с относительно высоким вакуумом (порядка 1*10в-4...1*10в-5 мм рт. ст.) приводят к потере легколетучих компонентов расплава. Процесс усугубляется отсутствием естественного перемешивания ванны. Принудительное перемешивание ванны усложняет конструкцию печи, снижает надежность ее работы.

В этой связи представляет большой интерес возможность использования плазменнодуговых источников нагрева. Применение обычных металлургических плазмотронов прямого или косвенного действия затруднено в виду того, что плавку необходимо вести в вакууме при давлении не выше 1*10в-2 мм рт. ст. Однако уже при давлении ниже 100 мм рт. ст. материал катодов плазмотронов склонен к разрушению, резко падает КПД. Выбор более высоких рабочих давлений ведет к ухудшению качества металла.

Значительно рациональнее использовать нерасходуемые электроды. Рассмотрим существующие конструкции нерасходуемых элекродов.

Как известно, для генерирования электродугового разряда применяются нерасходуемые электроды двух типов — с горячей рабочей поверхностью и холодной.

Нерасходуемые электроды с горячей рабочей поверхностью — это электроды из тугоплавких материалов, например из вольфрама или графита. Печи с такими нерасходуемыми электродами не получили широкого распространения из-за отсутствия катодного материала высокой стойкости, исключающей загрязнение расплава материалом электрода. Кроме того, они, как правило, маломощные и используются в качестве лабораторных. К недостаткам нерасходуемых электродов с горячей рабочей поверхностью следует отнести и нестабильность дугового разряда.

Принцип работы нерасходуемых электродов с холодной рабочей поверхностью основывается на предотвращении расплавления материала электродного наконечника интенсивным его охлаждением.

Расчеты и эксперименты показывают, что применение даже такого хорошо теплопроводящего материала, как медь, не позволяет обеспечить снятие тепловых потоков в зоне электродного опорного пятна дуги. Поэтому обычно применяется принудительное перемещение опорного пятна дуги относительно рабочей поверхности электрода. Этим достигается распределение теплового потока по большей площади, «эффективные» удельные тепловые потоки снижаются и становится возможным отвод теплового потока от рабочей поверхности нерасходуемого электрода.

Принудительное перемещение опорного пятна дуги возможно несколькими способами. Практическое применение нашли два из них: перемещение (вращение) нерасходуемого электрода, дуга неподвижна; перемещение дуги, нерасходуемый электрод неподвижен. Дуга может перемещаться под действием электродинамических или газодинамических сил.

На рис. 1 показана схема печи фирмы «Шлингер» с вращающимся электродом, получившим название «рототрод». Печь предназначена для плавки и литья высокореакционных сплавов.

Нерасходуемый электрод 1 устанавливают под углом к водоохлаждаемому тиглю 2. Тигель расположен в плавильной камере 3, соединенной с камерой разливки 4, в которой установлена изложница для слитка 5.

Шихта для плавки поступает в тигель через дозировочные бункера 6. Перед плавкой плавильная камера эвакуируется от газов до 1*10в-3 мм рт. ст., а затем заполняется аргоном до положительного давления. Были проведены успешные опыты на полупромышленной установке с медным вращающимся со скоростью 250 об/мин электродом 0500 мм, наклоненным к вертикали на 20°, и медным тиглем емкостью 2268 кг.

Сообщалось о вводе в эксплуатацию промышленной установки, мощность которой 1000 кВт, ток до 20 кА, производительность 455 кг/ч. Имеются сведения о проектировании печи с тиглем емкостью 5 т.

При относительно простой схеме печи с электродами такого типа имеют ряд существенных недостатков: трудно осуществить надежное вакуумное уплотнение быстровращающегося корпуса электрода довольно большого диаметра; вынужденный выбор небольших скоростей вращения корпуса электрода требует больших диаметров рабочей части наконечника, что ухудшает ведение процесса плавки, резко снижает КПД печи.

Другая американская фирма «Вестингхауз» разработала процесс, получивший название «дюрерк», основанный на движении электрической дуги в магнитном поле. Схема нерасходуемого электрода типа «дюрерк» представлена на рис. 2.

Нерасходуемый электрод состоит из водоохлаждаемого медного наконечника, соединенного с несколькими концентрическими цилиндрами корпуса 8, который защищен жаростойким покрытием 4.

Цилиндры образуют проходы для ввода и вывода воды и позволяют подавать через центральный канал газы или различные материалы, а также служат для подвода тока к наконечнику. Внутри наконечника, имеющего торообразную форму поверхности, размещен заключенный в капсулу соленоид 2, который создает радиальное магнитное поле вдоль рабочей поверхности наконечника. Взаимодействие между собственным магнитным полем дуги и магнитным полем соленоида заставляет дугу двигаться по поверхности наконечника, описывая кольцевую траекторию. Таким образом интенсивный тепловой поток от опорного пятна дуги распределяется по поверхности наконечника, предотвращая местное разрушение и эрозию электрода. Обмотка соленоида питается постоянным током от отдельного источника питания через токоподводы 5. По данным, опубликованным фирмой, разработаны электроды диаметром 51,102, 204 и 408 мм. Они могут работать при атмосферном давлении и при разрежении до 1*10в-3 мм рт. ст. Например, нерасходуемый электрод диаметром 102 мм имеет мощность до 1000 кВт при силе тока до 25 кА. Испытания проводились при токе 14 кА на мощности 750 кВт в кристаллизаторах 0380...635 мм. Скорость плавки 5,5 кг/мин, удельный расход электроэнергии 1,5 кВт-ч/кг. Тепловые потери в наконечнике пропорциональны току дуги и составляли около 25 % подводимой мощности. Эрозия наконечника при силе тока 19 кА достигала 2 г/ч. Срок службы одного наконечника превышал 40 ч и определялся в основном не эрозией, а деформациями, возникающими вследствие переменных тепловых полей от движущейся дуги.

Приведенные данные об электродах «рототрод» и «дюрерк» показывают, что оба они могут применяться для плавки и литья высокореакционных сплавов. Ho, безусловно, более перспективным является электрод типа «дюрерк». Серьезным препятствием на пути широкого внедрения в промышленность нерасходуемых электродов такого типа становится необходимость в дополнительном источнике питания для соленоида. Так как соленоид обычно низкоомный и питается пониженным напряжением (согласно требованиям электробезопасности), то потребляемый ток составляет несколько десятков тысяч ампер. Следовательно, нужен второй источник питания, подобный основному источнику.

С учетом этого в Институте электросварки им. Е.О. Патона после опробования нерасходуемого электрода с независимым питанием соленоида была разработана схема электрода типа «дюрерк», имеющая иное конструктивное решение (рис. 3). Согласно этой схеме, соленоид включается последовательно в силовую электрическую цепь дуги.

Нерасходуемый электрод модели НЭ100 состоит из медного наконечника 1, соленоида 2, корпуса 3, медной трубы-токоподвода 4, патрубков подвода и отвода воды 5 и 6, патрубка подачи газа 7, токоподвода 8, токоподводящей колодки 9.

С помощью разъемного резьбового соединения токоподводящая труба 4 соединяется с соленоидом 2, а тот, в свою очередь, с наконечником 1. Таким образом, соленоид включен последовательно в цепь дуги. Охлаждение наконечника и индуктора осуществляется единым потоком воды. Как видно из приведенной схемы, нерасходуемый электрод разработки ИЭС отличается более простой конструкцией и не требует дополнительного источника питания.

Испытания проводились в вакуумной гарнисажной печи ВДЛ-5, максимальный ток источника питания до 10 кА, емкость тигля до 60 кг.

Опытные плавки с использованием нерасходуемого электрода модели НЭ100 обычно проводились на токах порядка 5 кА при напряжении 40...45 В. Диаметр электрода 100 мм, диаметр графитового тигля 350 мм. Скорость плавки достигала 3.5...4.0 кг/ мин. У дельный расход электроэнергии — 1,2... 1,5 кВт*ч/кг. Тепловые потери на электрод составляли 25...30 %. Обычное время плавки 8...10 мин. Количество сливаемого металла колебалось в пределах 20...35 кг в зависимости от режима плавки. Ресурс наконечника составил 3.5...4.0 ч. Скорость вращения дуги не превышала 10 об/мин. Выход наконечника из строя происходил, как оказалось, не вследствие эрозии или расплавления, а из-за потери прочности металлом, несущим тепловую и механическую нагрузку. Механическая нагрузка на наконечник возникала при затяжке уплотнений электрода. В дальнейших разработках этот недостаток конструкции был устранен.

В процессе эксплуатации нерасходуемых электродов было обнаружено, что на наконечнике интенсивно нарастает гарнисаж из капель и конденсата расплавляемого металла. Этот гарнисаж через две-три плавки достигает определенной толщины и прочно удерживается на наконечнике. Гарнисаж оказывает положительное влияние на стойкость наконечника и является естественным защитным элементом. Наличие гарнисажа делает возможным поджиг дуги путем касания шихты.

Однако образующийся гарнисаж изменяет форму наконечника электрода. Наконечник приобретает вид оплавленного расходуемого электрода, при этом зарастает и осевой канал. Уже отмечалось ранее, что электроды типа «дюрерк» имеют торообразную форму поверхности наконечника (рис. 2 и 3). Такая поверхность создает хорошие условия для стабилизации положения дуги в пространстве. Несложно увидеть, что размеры осевой полости в наконечнике должны быть не менее диаметра столба дуги, в ином случае дуга будет переходить от стабильного кольцевого движения вдоль поверхности наконечника к прямолинейному вдоль диаметра электрода. Такой переход неминуемо вызовет местный перегрев и проплавление поверхности наконечника.

Принимая во внимание, что в вакууме диаметр столба дуги достигает нескольких десятков миллиметров (70...80 мм), становится очевидным, что зарастание осевого канала снижает надежность работы электродов типа «дюрерк». Наиболее простой способ борьбы с этим явлением — увеличение диаметра наконечника и, соответственно, осевого канала. Однако это приводит к существенному снижению КПД процесса, усложняет конструкцию электрода.

С учетом опыта советских и зарубежных работ Институтом электросварки им. Е.О. Патона была сделана попытка создать нерасходуемый электрод, работа которого основана на иных принципах: местоположение опорного пятна дуги на медном водоохлаждаемом наконечнике стабилизируется магнитным полем и создаются физические условия для снижения доли общего и удельного тепловых потоков от опорного пятна дуги к наконечнику.

Иными словами, форма медного наконечника, конструкция соленоида, их взаимное расположение выбраны такими, чтобы создать максимально рассредоточенное опорное пятно дуги и ориентировать его по оси электрода. Поверхность наконечника занимает по отношению к соленоиду такое положение, что в каждой точке поверхности вектор индукции магнитного поля практически направлен по нормали. Величина индукции растет от оси к боковой поверхности электрода. Учитывая, что дуга проявляет свойства диамагнитного вещества и, значит, стремится в область меньшей напряженности магнитного поля, она в этом случае оказывается в своего рода «магнитной потенциальной яме». Этим достигается надежная стабилизация местоположения опорного пятна дуги. Наличие магнитного поля в условиях теплового взаимодействия анодной зоны с катодной способствует увеличению диаметра анодного пятна и уменьшению доли общего теплового потока к электроду. Следовательно, снижаются удельные тепловые нагрузки на наконечник до величин, позволяющих организовать надежное охлаждение рабочей поверхности. Магнитное поле также противодействует переходу диффузного разряда к контрагированному.

Таким образом, был разработан нерасходуемый электрод с магнитной стабилизацией дуги (НЭМС). Изготовлены и испытаны электроды типа НЭМС моделей НЭ10, НЭ20 мощностью 500 и 1000 кВт на токи соответственно 10 и 20 кА.

Схема НЭМС представлена на рис. 4. Конструкция электрода включает: водоохлаждаемый корпус 1, медный наконечник 2, дефлектор 3 для организации потока охлаждающей воды, соленоид 4 для создания магнитного поля, токоподвод 5. Работает электрод типа НЭМС следующим образом. Возбуждение дуги производится касанием наконечника расплавляемого металла и последующим растягиванием дугового промежутка. С появлением тока соленоид, включенный последовательно в цепь дуги, создает магнитное поле.

Опробование указанных моделей электродов типа НЭМС, исследования особенностей плавки и отработка технологических параметров процесса выплавки титановых сплавов из литейных отходов проводились на Запорожском моторостроительном заводе «ЗПО «Моторостроитель» и в ВИАМе. В качестве плавильного агрегата использовались вакуумные гарнисажные печи ВДЛ-5 и ВДЛ-4. Нерасходуемый электрод монтировался на печи взамен электрододержателя расходуемого электрода. Плавильным тиглем служили графитовые неводоохлаждаемые тигли 0350, 650 и 850 мм. Шихта представляла собой предварительно подготовленные кусковые отходы титанового литья.

Вакуум в процессе плавок составлял 1*10в-3...2*10в-1 мм рт. ст. Ток дуги изменялся от 3 до 15 кА, напряжение на дуге поддерживалось в пределах 30...36 В. Продолжительность плавки — от 2 до 16 мин.

Обращает на себя внимание напряжение на дуге. Значения его близки к обычным при ВДП титановых сплавов. Низкое напряжение свидетельствует о небольшой длине дуги — 35...50 мм. Поскольку нерасходуемому электроду типа НЭМС конденсат и брызги расплавленного металла повредить не могут, нет особой необходимости удалять электрод от ванны. Короткая дуга дает возможность осуществить очень важный в технологическом отношении процесс — интенсивное перемешивание ванны жидкого металла. Перемешивание возникает под действием электродинамичесих сил, появляющихся от взаимодействия магнитного поля соленоида электрода и тока растекания от опорного пятна дуги по поверхности ванны. Под действием этих сил появляется круговое движение жидкого металла, наиболее интенсивное в центральной зоне, где наибольшая плотность магнитного поля и тока растекания. Кроме того, от динамического действия дуги искривляется поверхность ванны и образуется воронка под электродом весьма значительной глубины и диаметра — порядка 1,2...1,5 диаметра электрода.

В результате частицы жидкого металла приобретают спиралеобразное движение, ванна интенсивно перемешивается, что позволяет усреднить температуру и химический состав расплава и углубить ванну жидкого металла. Это является значительным преимуществом указанного типа электрода по сравнению с электроннолучевыми и плазменнодуговыми источниками нагрева. Например, при плазменнодуговом нагреве, если не принимать специальных мер, ванна широкая и мелкая. При электроннолучевом переплаве она еще более плоская. Это значительно затрудняет широкое использование данных методов нагрева для плавки металлов. Для сравнения на рис. 5 показана форма и размеры гарнисажа после плавки с примерно равными энергозатратами расходуемым электродом, плазмотроном и НЭМС. Видно, что форма гарнисажа при плавке НЭМС близка к таковой при плавке с расходуемым электродом.

При неизменном значении величины тока изменением длины дугового промежутка можно управлять процессом перемешивания, получая ванну различной глубины. С увеличением длины дуги уменьшается глубина ванны и соответственно уменьшается количество расплавленного металла. Так, например, в одной из плавок электродом модели НЭ20 на печи ВДЛ-4 при токе 13 кА и напряжении 32 В слив металла G = 60 кг. В другой плавке при том же токе и длительности плавления, но напряжении 40 В (длина дуги соответственно больше), хотя мощность и возросла на 25 %, слив металла составил 44 кг.

Большое влияние на количество сливаемого металла оказывает и время плавки. Так, например, при плавлении на постоянной мощности 480 кВт с увеличением времени плавки от 10 до 12 мин вес сливаемого металла возрастает от 45 до 60 кг.

Интенсивное перемешивание ванны при плавке НЭМС выдвигает проблему сохранности гарнисажа. Опытные плавки на печи ВДЛ-5 с графитовым тиглем диаметром 350 мм и электродом НЭ10 показали, что уже при токах 3...4 кА идет размыв гарнисажа и насыщение расплава углеродом. После установки в печь тигля с водоохлаждаемым поясом высотой 80 мм в зоне зеркала ванны размыва не было на токах вплоть до 8 к А.

Электрод НЭ10 рассчитан на токи до 10 кА и мощности до 500 кВт. Его испытания проходили на токах 9 кА и мощности до 400 кВт. Ресурс работы наконечника превысил 5 ч без заметных повреждений, но испьь тания пока еще не закончены. Расход охлаждающей воды составлял 10 м3/ч, расход воды через водоохлаждаемый пояс — 13 м3/ч, разность температур воды на входе и выходе в процессе плавки не превышала 4 °С. Обычный режим плавки был следующий: ток 7...8 кА; напряжение 40...42 В; время плавки от 8 до 12 мин. Слив металла составил 20... 30 кг. Увеличить время плавления не представлялось возможным, так как корпус печи охлаждался плохо.

Нерасходуемый электрод НЭ20 имеет такую же принципиальную схему, как и НЭ10, отличаясь конструктивными решениями. Диаметр электрода 150 мм, длина 3 м. Электрод устанавливается на печь ВДЛ-4 взамен электрододержателя. Рассчитан на токи до 20 к А и мощность 1000 кВт. Электрод охлаждается водой, расход, в зависимости от степени чистоты воды, от 20 до 40 м3/ч.

Электрод НЭ20 опробывался на печах ВДЛ-4 в ЗПО «Моторостроитель» и ВИАМе. Максимальный ток, на котором испытан электрод, достигал 16 кА, напряжение — до 40 В, обычно 32...36 В. При использовании круглого графитового тигля диаметром 650 мм оптимальные параметры режима плавки были следующие: ток дуги 14...15 кА; напряжение 30...36 В; время плавки 12...15 мин. При таком режиме обеспечивается неизменность бокового гарнисажа, а слив металла составляет 60... 80 кг. Учитывая, что емкость тигля диаметром 650 мм 100 кг, то достигнутый коэффициент слива металла 0,8 при сохранности гарнисажа довольно высок.

На рис. 6 представлена зависимость количества сливаемого металла от расхода электроэнергии. Как видно, эта зависимость в исследованном диапазоне имеет прямолинейный характер: чем больше расход электроэнергии, тем больше вес сливаемого металла. Из представленной зависимости следует, что удельные энергозатраты при одинаковом расходе энергии, например 100 кВт/ч, при плазменнодуговой плавке составляют около 2,0, плавке с применением НЭМС — 1,4, с расходуемым электродом — 1,0 кВт-ч/кг.

Для определения качества металла, полученного из 100 % кондиционных отходов, были проведены опытные плавки сплавов ВТ5Л, BT9Л и ВТ20Л. Результаты спектрального, химического анализов и некоторые механические свойства выплавленных сплавов приведены в таблице. Опытные плавки отходов сплавов ВТ5Л и ВТ9Л производились на печи ВДЛ-5 с электродом НЭ10, а сплава ВТ20Л на печи ВДЛ-4 с электродом НЭ20.

Свойства полученного металла удовлетворяют техническим требованиям. Содержание углерода в отливках не превышает 0,1 %. Потери основного легирующего элемента алюминия составляют 0,25...0,30 %, что несколько выше потерь при плавке расходуемой заготовки, но значительно ниже потерь алюминия при ПДП (0,5...0,8 %). Макро- и микроструктура отливок удовлетворительна для литого состояния указанного сплава.

В заключение следует сказать, что нерасходуемые электроды типа НЭМС еще требуют тщательного исследования и отработки элементов их конструкции. Необходимо изучить характеристики разряда, влияние различных параметров на стойкость наконечника, гидродинамические процессы в ванне при плавке НЭМС. Ho уже можно говорить о большой перспективности применения нерасходуемых электродов типа НЭМС для плавки и фасонного литья титана и его сплавов в вакуумных гарнисажных печах.

Другие новости по теме:

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: