RU2238991C1

RU2238991C1 - Method of electron-beam remelt of metals and alloys

Info

Publication number: RU2238991C1
Application number: RU2003106727/02A
Authority: RU
Inventors: В.А. Дробышев (RU); В.А. Дробышев; В.С. Зурабов (RU); В.С. Зурабов; А.А. Дубиков (RU); А.А. Дубиков; В.И. Панцырный (RU); В.И. Панцырный; Ю.И. Чистов (RU); Ю.И. Чистов; А.К. Шиков (RU); А.К. Шиков; Е.В. Ильенко (RU); Е.В. Ильенко; А.Ф. Лосицкий (RU); А.Ф. Лосицкий; Н.А. Лыткин (RU); Н.А. Лыткин; Н.В. Родченков (RU); Н.В. Родченков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод"
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-10-27

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method comprises portionwise accumulation of melt in upper broadened part of through crystallizer until fusion mirror achieves level higher than broadening commencement point by 0.05-0.12 ingot diameter, whereupon melt is aged, stretched, and allowed forming ingot in lower cylindrical part of crystallizer, fusion mirror diameter being defined during ageing in upper broadened part of through crystallizer in terms of expression: D ≥ d+60 wherein D is fusion mirror diameter during ageing in upper broadened part of through crystallizer, mm, and d is diameter of ingot formed in lower part of crystallizer, mm.

EFFECT: improved quality of ingot due to improved refining conditions and excluded possibility for crown to get into metal in the form of splashes and sublimate, and improved lateral side of ingot.

1 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к способам получения высококачественных слитков путем электронно-лучевой плавки (ЭЛЛ) в сквозном кристаллизаторе с вытягиванием.The invention relates to the field of metallurgy, and specifically to methods for producing high-quality ingots by electron beam melting (ELL) in a through mold with drawing.

Известен способ ЭЛП металлов, в частности ниобия, с порционным накоплением металла в сквозном цилиндрическом кристаллизаторе с последующими выдержкой, вытягиванием и формированием слитка в нем [1].There is a method of ELP of metals, in particular niobium, with batch accumulation of metal in a through cylindrical crystallizer with subsequent exposure, drawing and forming an ingot in it [1].

Недостатком данного способа является низкое качество поверхности слитка из-за трещин, надрывов, наплывов, образующихся вследствие прилипания металла к внутренней поверхности кристаллизатора.The disadvantage of this method is the low quality of the surface of the ingot due to cracks, tears, sagging, resulting from the adhesion of the metal to the inner surface of the mold.

Кроме того, при ЭЛП заготовок, содержащих значительное количество примесей, на стенке кристаллизатора выше уровня ванны образуется корона в виде брызг и возгонов. При вытягивании слитка корона затягивается вместе со слитком, ухудшая качество его боковой поверхности, или падает в ванну расплава, приводя к неоднородности слитка по химическому составу.In addition, with EBP of preforms containing a significant amount of impurities, a corona is formed in the form of splashes and sublimates on the crystallizer wall above the level of the bath. When the ingot is pulled, the crown is pulled together with the ingot, worsening the quality of its side surface, or falls into the molten bath, leading to the heterogeneity of the ingot in chemical composition.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ ЭЛП металлов, преимущественно тантала, включающий накопление расплава и формирование слитка в сквозном кристаллизаторе с периодическим вытягиванием, при котором накопление расплава ведут в кристаллизаторе с верхней уширенной конической частью, причем диаметр зеркала ванны расплава в конической части кристаллизатора устанавливают больше диаметра слитка на величину 0,017-0,044 диаметра слитка, а уровень зеркала ванны расплава - на расстоянии 0,05-0,12 диаметра слитка выше от места уширения [2].The closest technical solution, selected as a prototype, is a method of electron-beam welding of metals, mainly tantalum, including the accumulation of a melt and the formation of an ingot in a through mold with periodic drawing, in which the accumulation of the melt is carried out in the mold with the upper broadened conical part, the diameter of the mirror of the melt bath being the conical part of the mold set more than the diameter of the ingot by a value of 0.017-0.044 of the diameter of the ingot, and the level of the mirror of the bath of the melt at a distance of 0.05-0.12 dia pa ingot by broadening space above [2].

Указанный способ позволяет исключить вероятность попадания в расплав короны и существенно снизить количество и глубину дефектов поверхности слитков, например, при ЭЛП танталовой заготовки, полученной вакуумным дуговым переплавом (ВДП) из тантала натриетермического восстановления с суммарным содержанием примесей после ВДП не более 0,1 мас.%.This method eliminates the likelihood of corona getting into the melt and significantly reduces the number and depth of surface defects of the ingots, for example, in the EBT of a tantalum billet obtained by vacuum arc remelting (TDS) from tantalum sodium thermal reduction with a total impurity content after TDS of no more than 0.1 wt. %

Недостатком данного способа является неоднородность по химическому составу и наличие значительных поверхностных дефектов слитков в случае использования при ЭЛП танталовой заготовки, полученной в ВДП или ЭЛП из чернового металла алюмино-кальциетермического восстановления, содержащей не менее 1 мас.% примесей, что связано с образованием по краю зеркала ванны расплава мощной короны, фрагменты которой при величине диаметра зеркала ванны расплава в уширении не более 1,044 диаметра слитка затягиваются в его тело.The disadvantage of this method is the heterogeneity in the chemical composition and the presence of significant surface defects of the ingots in the case of using tantalum billet obtained in the VLP or in the EBL from a crude metal of aluminum-calcium thermal reduction containing at least 1 wt.% Impurities, which is associated with the formation along the edge mirrors of a molten bath of a powerful corona, fragments of which with a magnitude of the diameter of a molten bath mirror in broadening of not more than 1,044 ingot diameters are drawn into its body.

Технической задачей, решаемой с помощью данного изобретения, является повышение качества слитка за счет улучшения его боковой поверхности и повышения однородности по химическому составу.The technical problem solved by this invention is to improve the quality of the ingot by improving its side surface and increasing the uniformity in chemical composition.

Решение поставленной задачи достигается тем, что проводят ЭЛП металлов и сплавов с накоплением и выдержкой расплава в верхней уширенной части сквозного кристаллизатора до достижения зеркалом ванны расплава уровня, превышающего место начала уширения на 0,05-0,12 диаметра слитка с последующими выдержкой расплава, вытягиванием и формированием слитка в нижней цилиндрической части кристаллизатора, устанавливая диаметр зеркала ванны расплава при его выдержке в верхней уширенной части сквозного кристаллизатора в соответствии с выражением:The solution of this problem is achieved by conducting electron-beam alloying of metals and alloys with the accumulation and holding of the melt in the upper broadened part of the through mold until the bath mirror reaches a level that exceeds the start point of broadening by 0.05-0.12 of the ingot diameter with subsequent holding of the melt, drawing and the formation of the ingot in the lower cylindrical part of the mold, setting the diameter of the mirror of the bath of the melt when it is held in the upper broadened part of the through mold in accordance with the expression:

D>d+60,D> d + 60,

где D - диаметр зеркала ванны расплава при его выдержке в верхней уширенной части сквозного кристаллизатора, мм;where D is the diameter of the mirror of the bath of the melt when it is held in the upper broadened part of the through mold, mm;

d - диаметр слитка, формируемого в нижней цилиндрической части кристаллизатора, мм.d is the diameter of the ingot formed in the lower cylindrical part of the mold, mm

На чертеже представлена схема кристаллизатора в процессе плавки. Способ осуществляется в водоохлаждаемом кристаллизаторе с нижней цилиндрической частью 1. Вверху в месте 2 начала уширения начинается верхняя уширенная часть 3 кристаллизатора, где в процессе плавки образуется корона 4. Высоту уровня h ванны расплава 5 поддерживают на расстоянии 0,05-0,12 диаметра слитка d выше от места начала уширения 2. Диаметр зеркала ванны расплава D в верхней уширенной части 1 кристаллизатора устанавливают в соответствии с выражением: D≥d+60.The drawing shows a diagram of the mold during the melting process. The method is carried out in a water-cooled crystallizer with a lower cylindrical part 1. At the top at the beginning of broadening 2, the upper broadened part 3 of the mold begins, where a crown 4 is formed during the melting process. The height of the level of the melt bath 5 is maintained at a distance of 0.05-0.12 diameter of the ingot d higher from the start of broadening 2. The diameter of the mirror of the melt bath D in the upper broadened part 1 of the mold is set in accordance with the expression: D≥d + 60.

Проведенные заявителем эксперименты, результаты которых приведены в таблице 1, показывают, что при величине диаметра зеркала ванны расплава D при его выдержке в уширепии, превышающем диаметр слитка менее чем на 60 мм, т.е. при невыполнении условия: D≥d+60, на боковой поверхности слитков второго ЭЛЛ Nb и сплава Та-10%W (TaB 10) алюмино-кальциетермического восстановления отмечается большое количество дефектов и значительные колебания содержания примесных элементов из-за образования мощной короны на периферии ванны расплава при его выдержке в уширении и ее затягивания в тело слитка при вытягивании.The experiments carried out by the applicant, the results of which are shown in table 1, show that when the diameter of the mirror of the bath of the melt D when it is held in extension, exceeding the diameter of the ingot by less than 60 mm, i.e. if the condition is not fulfilled: D≥d + 60, a large number of defects and significant fluctuations in the content of impurity elements due to the formation of a powerful corona at the periphery are observed on the side surface of the second ELL ingots of Nb and Ta-10% W (TaB 10) aluminum-calcium thermal alloy ingots baths of the melt when it is held in broadening and drawn into the body of the ingot when drawn.

При соблюдении условия: D≥d+60 поверхность слитков практически не содержит дефектов, а однородность по содержанию примесных элементов возрастает более чем в 2 раза.Under the condition: D≥d + 60, the surface of the ingots practically does not contain defects, and the uniformity in the content of impurity elements increases by more than 2 times.

Примером осуществления предлагаемого способа является получение слитка ниобия в электронно-лучевой печи типа ЭДП 0,7/500 мощностью 500 кВт. Параметры ЭЛП и результаты анализа качества слитков приведены в таблице 2.An example of the implementation of the proposed method is to obtain an ingot of niobium in an electron-beam furnace type EAF 0.7 / 500 with a capacity of 500 kW. ELP parameters and the results of the analysis of the quality of the ingots are shown in table 2.

В качестве переплавляемой заготовки использовали слиток Nb⌀ 160×1000 мм, массой - 172 кг, полученный в ЭЛП из чернового металла алюмино-кальциетермического восстановления, который сплавляли в кристаллизатор, изображенный на рисунке, диаметр нижней цилиндрической части которого d=160 мм и верхней уширенной части - 260 мм, в которую порционно наплавляли расплав высотой h - 15 мм, при этом диаметр зеркала ванны расплава составлял: D=230 мм.An ingot of Nb⌀ 160 × 1000 mm, weighing 172 kg, obtained in an EBL from a rough metal of aluminum-calcium-thermal reduction, which was fused into a mold shown in the figure, the diameter of the lower cylindrical part of which d = 160 mm and the upper broadened one, was used as a remelted preform. part - 260 mm, in which the melt was deposited portionwise with a height of h - 15 mm, while the diameter of the mirror of the melt bath was: D = 230 mm.

После выдержки расплава в уширенной части кристаллизатора в течение 420 с при мощности электронного луча 350 кВт (удельная мощность луча q=0,008 кВт/мм² поверхности зеркала ванны расплава) производили вытягивание металла до начала уширения нижней цилиндрической части кристаллизатора. В таблице 2 также приведены данные по ЭЛП Nb по способу, предложенному в прототипе. В обоих случаях полученные слитки по химическому составу соответствовали требованиям ГОСТ 16099-80 на ниобий марки Нб-1, однако поверхность слитка, полученного по способу, предложенному в прототипе, содержала значительное количество фрагментов короны, тогда как поверхность слитка, полученного по предлагаемому способу, фрагментов короны не содержала.After the melt was held in the broadened part of the mold for 420 s at an electron beam power of 350 kW (specific beam power q = 0.008 kW / mm ^{2 of the} surface of the mirror of the melt bath), the metal was drawn before the broadening of the lower cylindrical part of the mold was started. Table 2 also shows the data on the ELB Nb according to the method proposed in the prototype. In both cases, the obtained ingots in chemical composition corresponded to the requirements of GOST 16099-80 for Nb-1 grade niobium, however, the surface of the ingot obtained by the method proposed in the prototype contained a significant amount of corona fragments, while the surface of the ingot obtained by the proposed method, fragments Crown did not contain.

Кроме того, относительное отклонение содержания примесных элементов от среднего значения, определенное на поперечных темплетах, в слитке, полученном по предлагаемому способу, значительно ниже, что свидетельствует о его большей однородности по сравнению со слитком, полученным по способу, изложенному в прототипе.In addition, the relative deviation of the content of impurity elements from the average value, determined on transverse templates, in the ingot obtained by the proposed method is significantly lower, which indicates its greater uniformity compared to the ingot obtained by the method described in the prototype.

Результаты анализа качества слитков, полученных по предлагаемому способу и по способу, приведенному в прототипе, представленные в таблице 2, свидетельствуют о решении поставленной технической задачи и получении нового технического результата - создания способа электронно-лучевого переплава металлов и сплавов, преимущественно алюмино-кальциетермического восстановления, обеспечивающего получение высококачественных слитков при увеличении выхода в годное на 10,1% и повышение однородности по химическому составу более чем в 2 раза.The results of the analysis of the quality of the ingots obtained by the proposed method and by the method shown in the prototype, presented in table 2, indicate the solution of the technical problem and obtaining a new technical result - the creation of a method of electron beam remelting of metals and alloys, mainly aluminum-calcium thermal reduction, providing high-quality ingots with an increase in yield by 10.1% and an increase in uniformity in chemical composition by more than 2 times.

Предложенный способ может быть применен в промышленном производстве высококачественных слитков, предназначенных для изготовления изделий, в том числе для нужд ядерной энергетики и устройств, использующих явление сверхпроводимости.The proposed method can be applied in the industrial production of high-quality ingots intended for the manufacture of products, including for the needs of nuclear energy and devices using the phenomenon of superconductivity.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. Заборонок Г.Ф. и др. “Электронная плавка металлов”, М.: Металлургия, 1972 г., с.84.1. Zaborok G.F. and others. “Electronic smelting of metals”, M .: Metallurgy, 1972, p.84.

2. Патент РФ 2027783, кл. С 22 В 9/22 “Способ электронно-лучевого переплава металлов”.2. RF patent 2027783, cl. C 22 V 9/22 “Method of electron beam remelting of metals”.

Claims

A method of electron beam remelting of metals and alloys, comprising batch accumulation of the melt in the upper broadened part of the through mold until the bath mirror reaches the level of the melt that exceeds the start point of broadening by 0.05-0.12 of the ingot diameter with subsequent melt holding, drawing and forming the ingot in the lower cylindrical part of the mold, characterized in that the diameter of the mirror of the bath of the melt when it is held in the upper broadened part of the through mold is set in accordance with by

D≥d + 60,

where D is the diameter of the mirror of the bath of the melt when it is held in the upper broadened part of the through mold, mm;

d is the diameter of the ingot formed in the lower cylindrical part of the mold, mm