RU2317343C2

RU2317343C2 - Method of production of ingots

Info

Publication number: RU2317343C2
Application number: RU2005131893/02A
Authority: RU
Inventors: Александр Валентинович Иванов
Original assignee: ОАО "Корпорация ВСМПО-АВИСМА"
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2008-02-20
Also published as: RU2005131893A

Abstract

FIELD: special-purpose electrometallurgy; melting ingots of refractory and high-reaction metals and alloys, mainly titanium alloys for finishing melting in vacuum arc furnaces.

SUBSTANCE: proposed method includes melting of refractory and high-reaction metals and alloys in crucible of vacuum skull furnace; tapping the melt into ingot mold and forming the consumable electrode. Consumable electrode being formed has increased mass; electrode is formed during several heats in skull furnace; first melt is tapped into ingot mold of lesser diameter and ingot obtained during successive heat is placed in ingot mold of larger diameter and cavity thus formed is filled with melt.

EFFECT: increased mass of ingots at retained quality corresponding to requirements of aero-space engineering.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для выплавки слитков тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов, преимущественно титановых, применяемых в аэрокосмической технике.The present invention relates to the field of special electrometallurgy and can be used for smelting ingots of refractory and highly reactive metals and alloys, mainly titanium, used in aerospace engineering.

Обязательным условием при производстве данных сплавов является отсутствие тугоплавких включений, образовавшихся из кусочков шихты, имеющих более высокую плотность и температуру плавления, чем основной металл. К ним относятся газонасыщенные (с высоким содержанием азота и кислорода) включения губки и отдельные обогащенные тугоплавкими элементами (вольфрам, молибден, ниобий) частицы лигатур и режущего инструмента (как правило, в составе стружки при ее вовлечении в технологический процесс). Несмотря на тщательную подготовку и контроль качества шихтовых материалов при нарушении нормального технологического процесса такие кусочки могут оказаться в шихте.A prerequisite in the production of these alloys is the absence of refractory inclusions formed from pieces of a mixture having a higher density and melting point than the base metal. These include gas-saturated (with a high content of nitrogen and oxygen) sponge inclusions and individual particles of ligatures and cutting tools enriched with refractory elements (tungsten, molybdenum, niobium) (as a rule, as part of the chip when it is involved in the technological process). Despite careful preparation and quality control of the charge materials in case of violation of the normal technological process, such pieces can be in the charge.

Наиболее распространенным технологическим способом производства сплавов для аэрокосмической техники является двойной вакуумный дуговой переплав (ВДП) или тройной ВДП прессованных электродов (Гармата В.А. Металлургия титана. М., Металлургия, 1968, с.445-448).The most common technological method for the production of alloys for aerospace engineering is double vacuum arc remelting (VDP) or triple VDP of extruded electrodes (V. Garmata, Metallurgy of titanium. M., Metallurgy, 1968, p. 454-448).

Недостатком способа являемся то, что при ВДП происходит совмещение в кристаллизаторе зон расплавления и затвердевания металла. При относительно небольшой глубине ванны расплава, которая перемещается по высоте в процессе плавки, содержащиеся тугоплавкие частицы, имея большую плотность и температуру плавления, не успевают перейти в жидкую фазу и вмерзают в тело слитка. Таким образом, изделия, изготовленные из данного металла, могут наследовать его дефекты.The disadvantage of this method is that when VDP is the combination in the mold of the zones of melting and solidification of the metal. With a relatively small depth of the melt bath, which moves in height during the melting process, the refractory particles contained, having a high density and melting point, do not have time to go into the liquid phase and freeze into the body of the ingot. Thus, products made from this metal can inherit its defects.

Известен способ получения слитков преимущественно титановых сплавов, содержащий двойной дуговой переплав, где на первой стадии на гарнисажной печи осуществляется переплав шихты и гарнисажа - расходуемого электрода с последующим сливом расплава в изложницу с плоским дном. При этом получают слиток в форме правильного цилиндра, который затем используют в качестве электрода при последующем ВДП. Для этого к его торцу приваривают расходуемый огарок, закрепляемый на электродержателе вакуумной дуговой печи второго переплава, а затем полученный слиток-электрод расплавляют на плоский поддон медного охлаждаемого кристаллизатора (Александров В.К. и др. Плавка и литье титановых сплавов. - М.: Изд-во "Металлургия", 1994 г., стр.224-230) - прототип.A known method of producing ingots of predominantly titanium alloys, containing a double arc remelting, where at the first stage on the skull furnace, the mixture is melted and the skull is a consumable electrode with the subsequent discharge of the melt into a mold with a flat bottom. In this case, an ingot is obtained in the form of a regular cylinder, which is then used as an electrode for subsequent VDP. To do this, a consumable cinder is welded to its end, fixed on the electrode holder of a second remelting vacuum arc furnace, and then the obtained ingot electrode is melted on a flat tray of a cooled copper mold (Aleksandrov V.K. et al. Melting and casting of titanium alloys. - M .: Publishing house "Metallurgy", 1994, p. 224-230) - prototype.

Гарнисажная печь относится к категории вакуумных дуговых печей с расходуемым электродом для переплава титана и титановых отходов, а также для производства слитков различных сечений. В отличие от печей ВДП (вакуумного дугового переплава) гарнисажная печь не требует другой печи или пресса для получения расходуемого электрода, поскольку новый электрод наряду со слитком получается в каждом плавильном цикле. В отличие от большинства электронно-лучевых печей в гарнисажной печи можно плавить сплавы со сравнительно летучими элементами (например, алюминием, хромом), а в отличие от плазменных дуговых - в ней можно плавить губку.The skull furnace belongs to the category of vacuum arc furnaces with a consumable electrode for remelting titanium and titanium waste, as well as for the production of ingots of various sections. Unlike VDP (vacuum arc remelting) furnaces, the skull furnace does not require another furnace or press to obtain a consumable electrode, since a new electrode, along with an ingot, is produced in each melting cycle. Unlike most electron-beam furnaces, in a skull furnace, alloys with relatively volatile elements (for example, aluminum, chromium) can be melted, and unlike plasma arc furnaces, a sponge can be melted in it.

В процессе гарнисажной плавки создается и достаточно продолжительное время поддерживается ванна расплава. В результате этого химический состав металла усредняется, рафинируется от газовых и летучих включений, а тугоплавкие частицы или растворяются или, имея более высокую плотность, вмораживаются в гарнисаж и не попадают в отливаемый слиток. Второй переплав в ВДП позволяет получить слитки с плотной мелкозернистой однородной структурой.In the process of skull melting, a melt bath is created and for a sufficiently long time. As a result, the chemical composition of the metal is averaged, refined from gas and volatile inclusions, and refractory particles either dissolve or, having a higher density, freeze in the skull and do not fall into the cast ingot. The second remelting in VDP allows you to get ingots with a dense fine-grained homogeneous structure.

Недостаток плавки в гарнисажной печи в том, что плавка расплава происходит в промежуточном водоохлаждаемом тигле, при этом надежное и постоянное от плавки к плавке количество сливаемого металла может быть достигнуто в том случае, если ванна жидкого металла к моменту окончания плавления достаточно велика и превышает вес формируемого слитка, по крайней мере, в 1,5 раза. Водоохлаждаемый тигель является одной из наиболее сложных частей печи, геометрические размеры и масса которого зависят от размещенной в нем массы расплава. На практике масса тигля в 8-12 раз превосходит массу расплава. Слив металла производится поворотом тигля. Это очень ответственная и скоротечная операция, что вызвано высоким уровнем тепловых потерь жидкого металла и сравнительно низким его удельным теплосодержанием. Данное противоречие может быть преодолено только форсированием скорости литья. На практике большие габаритно-весовые характеристики тигля с залитым в нем расплавом позволяют выплавлять слитки массой, не превышающей 6 т. В тоже время в вакуумных дуговых печах возможна выплавка слитков массой 12 т и более. Крупногабаритные штамповки, изготовленные из слитков массой более 6 т, используются в конструкциях широкофезюляжных самолетов.The disadvantage of melting in the skull furnace is that the melt melts in an intermediate water-cooled crucible, while a reliable and constant amount of metal being drained from melting to melting can be achieved if the molten metal bath is sufficiently large by the moment of melting and exceeds the weight of the formed ingot at least 1.5 times. A water-cooled crucible is one of the most complex parts of the furnace, the geometrical dimensions and mass of which depend on the mass of the melt placed in it. In practice, the mass of the crucible is 8-12 times greater than the mass of the melt. Metal is drained by turning the crucible. This is a very responsible and fleeting operation, which is caused by a high level of heat loss of liquid metal and its relatively low specific heat content. This contradiction can only be overcome by forcing the casting speed. In practice, the large overall weight and weight characteristics of the crucible with the melt poured in it make it possible to melt ingots with a mass not exceeding 6 tons. At the same time, ingots weighing 12 tons or more can be smelted in vacuum arc furnaces. Oversized stampings made of ingots weighing more than 6 tons are used in the construction of wide-body aircraft.

Целью предлагаемого изобретения является получение слитков тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов повышенной массы по технологической схеме, где выплавка слитка-электрода производится в дуговой гарнисажной печи, а финишная плавка - в вакуумной дуговой печи.The aim of the invention is to obtain ingots of refractory and highly reactive metals and alloys of increased mass according to the technological scheme, where the ingot electrode is smelted in an arc skull furnace, and finishing melting in a vacuum arc furnace.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является повышение массы выплавляемых слитков на стандартном оборудовании, при сохранении качества слитков, соответствующих требованиям аэрокосмической техники.The technical result achieved by the implementation of the invention is to increase the mass of smelted ingots on standard equipment, while maintaining the quality of the ingots that meet the requirements of aerospace engineering.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе получения слитков в виде расходуемых электродов для финишной плавки в вакуумной дуговой печи, включающем расплавление тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов в тигле гарнисажной печи, слив расплава в изложницу и формирование расходуемого электрода, при этом формируют расходуемый электрод повышенной массы за несколько последовательных плавок в гарнисажной печи, причем первый расплав сливают в изложницу меньшего диаметра, а полученный слиток при последующей плавке устанавливают в изложницу большего диаметра и заполняют расплавом образующуюся полость.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the method of producing ingots in the form of consumable electrodes for finish melting in a vacuum arc furnace, which includes melting refractory and highly reactive metals and alloys in a crucible of a skull furnace, draining the melt into a mold and forming a consumable electrode, form a consumable electrode of increased mass for several consecutive heats in the skull furnace, and the first melt is poured into a mold of a smaller diameter, and ny ingot during subsequent melting mounted in a mold of larger diameter melt and fill the resulting cavity.

Сравнивая предлагаемый способ с прототипом, где используется аналогичная схема изготовления слитков, сохраняются те же преимущества:Comparing the proposed method with the prototype, where a similar ingot manufacturing scheme is used, the same advantages remain:

- не требуется вспомогательного оборудования для получения расходуемого электрода при первом переплаве;- no auxiliary equipment is required to obtain a consumable electrode during the first remelting;

- удаление летучих примесей и тугоплавких включений при плавке ГРЭ;- removal of volatile impurities and refractory inclusions during melting of GRE;

- возможность выплавления сплавов, содержащих летучие элементы без дополнительной подшихтовки;- the possibility of smelting alloys containing volatile elements without additional hemming;

- нет необходимости измельчения отходов при первом переплаве;- there is no need to grind waste during the first remelting;

- возможность плавления губки без предварительной подготовки;- the possibility of melting the sponge without prior preparation;

- получение после второго переплава в ВДП слитка с плотной мелкозернистой однородной структурой.- receiving after the second remelting in the VDP of the ingot with a dense fine-grained homogeneous structure.

Но в отличие от прототипа предлагаемое изобретение позволяет получать качественные слитки тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов, которые затем используются для финишной плавки в качестве расходуемых электродов массой в два раза и более больше. Единственным ограничением массы получаемых слитков являются возможности вакуумных дуговых печей (в настоящее время успешно эксплуатируются печи, на которых выплавляются слитки массой 15-25 т). Таким образом, достигается баланс оборудования по массе выплавляемых слитков в технологической цепи гарнисажная печь-вакуумная дуговая печь. Следствием этого является существенное расширение возможности стандартного оборудования, находящегося в эксплуатации длительное время и хорошо освоенного промышленностьюBut unlike the prototype, the present invention allows to obtain high-quality ingots of refractory and highly reactive metals and alloys, which are then used for finishing smelting as consumable electrodes weighing twice or more. The only limitation on the mass of the obtained ingots is the capabilities of vacuum arc furnaces (currently furnaces are successfully operated on which ingots weighing 15-25 tons are smelted). Thus, a balance of equipment is achieved by the weight of the smelted ingots in the technological chain of the skull furnace-vacuum arc furnace. The consequence of this is a significant expansion of the capabilities of standard equipment that has been in operation for a long time and is well mastered by the industry

По предлагаемому способу на гарнисажной печи ДТВГ-4ПФ получен слиток-электрод массой 10,8 т сплава 4V6A1 за две плавки. Первый слиток был сформирован в изложницы диаметром 550 мм, который был установлен в изложницу диаметром 840 мм и залит расплавом, полученным при второй плавке. Слиток был переплавлен в вакуумной дуговой печи ДТВ 8,7-Г10.According to the proposed method, an ingot electrode weighing 10.8 tons of 4V6A1 alloy for two melts was obtained on a DTVG-4PF skull furnace. The first ingot was formed into molds with a diameter of 550 mm, which was installed in a mold with a diameter of 840 mm and filled with the melt obtained during the second melting. The ingot was remelted in a DTV 8.7-G10 vacuum arc furnace.

Затем из слитков были изготовлены прутки по типовой технологии и проведены контрольные операции с использованием УЗК. Для обнаружения дефектов типа включений применяли ультразвуковой контроль (УЗК) деформированного металла. В настоящее время наиболее разработан УЗК прутков, поэтому эффективность предотвращения образования дефектов при выплавке слитков оценивали по результатам УЗК прутков, что соответствует международной практике. Кроме того, для выявления включений большей плотности применяли рентгеноконтроль на просвечивание. Дефектов в виде включений выявлено не было.Then, bars were made from ingots using standard technology and control operations were carried out using ultrasonic testing. In order to detect defects of the type of inclusions, ultrasonic testing (ultrasonic testing) of the deformed metal was used. Currently, ultrasonic testing of rods is most developed, therefore, the effectiveness of preventing the formation of defects during smelting of ingots was evaluated by the results of ultrasonic testing of rods, which is in line with international practice. In addition, X-ray inspection for transmission was used to identify inclusions of higher density. No defects in the form of inclusions were detected.

Предлагаемый новый способ получения слитков позволяет исключить из технологического процесса операции, создающие предпосылки для загрязнения металла тугоплавкими включениями, и позволяет производить на гарнисажной печи слитки-электроды для последующего вакуумного дугового переплава без ограничения их размеров.The proposed new method for producing ingots eliminates operations that create the preconditions for metal contamination by refractory inclusions, and allows the production of ingots-electrodes on a skull furnace for subsequent vacuum arc remelting without limiting their size.

Поэтому данный способ является перспективным по сравнению с аналогом и прототипом, а его использование целесообразно для применения в промышленности.Therefore, this method is promising in comparison with the analogue and prototype, and its use is advisable for use in industry.

Claims

A method for producing ingots in the form of consumable electrodes for finish melting in a vacuum arc furnace, including melting refractory and highly reactive metals and alloys in a crucible of a vacuum skull furnace, draining the melt into a mold and forming a consumable electrode, forming a consumable electrode of increased mass for several successive melts in a skull furnace, the first melt being poured into a mold of a smaller diameter, and the ingot obtained during subsequent melting is installed into a mold of a larger diameter ra and fill the formed cavity with the melt.