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.