Плавка тугоплавких сплавов

Особенность плавки тугоплавких сплавов обусловлена их химической активностью со всеми газами и огнеупорными материалами, поэтому плавку необходимо вести в вакууме или среде инертных газов. Вакуумную плавку осуществляют в вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом и графитом (медом) гарнисажном тигле или печах электронно-лучевого переплава.

Оптимальная толщина гарнисажа в донной части графитового тигля 50-60 мм и на стенах 12-16 мм. Толщину δ гарнисажа на стенке графитового тигля, охлаждаемой водой, рассчитывают по уравнению

δ = 5 (δ_r+ δ_н+ 10³), λ_r λ_н α

где, δ_r — толщина тигля, мм; δ_н — толщина водоохлаждаемой стенки корпуса тигля, мм; λ_r — коэффициент теплопроводности материала тигля (графита), Вт/ (м * ^oС); λ_н — коэффициент теплопроводности стенки корпуса, Вт/ (м * ^oС); α — коэффициент теплоотдачи от корпуса к потоку воды; при средней температуре воды около 40 ^oС

α = 1.3 * 10⁵ w^0,8_н /Δ^0,2

где, w^н — скорость потока воды в полости корпуса тигля, м/с; Δ — толщина щели водоохлаждаемой полости корпуса тигля, м.

Оптимальная толщина гарнисажа на дне графитового тигля, не охлаждаемого водой:

δ_то = δ [0,017 δ_т + 103] К_Fα_Л

где, δт — толщина дна графитового тигля, мм; α_л — коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием с наружной поверхности дна тигля, Вт/ (м * ^_oС); при оптимальной толщине гарнисажа

α_л = 148 — 40,5 * 10^-2 К_Fδ_Т + 5,25 * 10^-4 К²_F δ²_Т,

где, К_F — коэффициент; К_F = 1 — 4h/d_T (h — высота донной части тигля, выступающей из водоохлаждаемого корпуса, мм; d_T — средний внутренний диаметр тигля, мм).

Оптимальная толщина гарнисажа (мм) в медном водоохлаждаемом тигле равна

δ _rо = 20 (0,003 δ_Т + 10⁸) α

где, δ_т толщина стенки медного тигля, мм; α — коэффициент теплоотдачи от стенки к воде, Вт/ (м³ * К); определяются по формуле (1).

Максимально допустимая температура на контактной поверхности медного тигля с титановым гарнисажом может быть принята равной 500^oС, при толщине более 30мм и скорости движения охлаждающей воды не менее 3м/с.

Плавку титана и его сплавов начинают с укладки гарнисажного графитового или медного тигля до 30% массы шихты крупнокусковых отходов собственного производства, предварительно прошедших механическую и химическую очитку. Механическая очистка производится в галтовочных барабанах в течении 2-8 ч на глубину до 0,1 мм.

Химическую очистку проводят в растворе составов, г/л: NaOH 600-650; NaNO₂ 50-60 или NaNO 500-700 и NaNO₃ 150-250. Температура раствора 130-145^oС, время обработки 0,5-2 ч. Шихту промывают в теплой и холодной воде, травят в растворе химического состава, мл/л: H_aSO₄ (плотностью 1840 кг/м₃) 60-70 и HF (плотность 1'130 кг/м³) 60-140; температура раствора 20^oС, время травления 1,5-2,0ч. После промывки в холодной воде шихту сушат при температуре 110-150^oС.

Между расходуемым электродом и кусковой шихтой зажигается дуга. Плавку металла проводят в вакууме (0,13-1,33 Па). Как только будет получена необходимая масса жидкого металла, его разливают по литейным формам. Угар, элементов составляет % (мас. доля); титана 0,1-0,2; алюминия до 2; марганца до 10-15. Содержание водорода снижается до 0,002-0,003%.

Молибден и сплавы на его основе плавят в дуговых печах с расходуемым электродом в вакууме [ (1,33 / 6,65) · 10^-2 Па], в атмосфере аргона, в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе или гарнисажных печах с медным или графитовым тиглем.

Особенность плавки молибдена состоит в необходимости его раскисления углеродом, водором или алюминием. При раскислении алюминием плавку ведут в среде аргона, а раскислении в вакууме — углеродом или водородом. Раскисление углеродом при плавке в среде аргона приводит к образованию пористости в слитках. Расход окислителя до 0,01% (мас. доля).

Легирующие добавки при плавке сплавов молибдена вводят в виде гранул или порошка непосредственно в ванну или расходуемый электрод при его изготовлении. Электроннолучевая плавка молибдена и его сплавов являются более перспективной, позволяет получить слитки и отливки с низким содержанием примесей. Плавку ведут при остаточном давлении 1,33 * 10^-2 Па.

Для нейтрализации вредного воздействия углерода в сплав вводят небольшое количество (до 0,02%) карбидообразующих элементов (Ti, Zr, Hf), которые кристаллизуются в виде мелких разрозненных включений, почти не влияющих на свойства металла.

В качестве шихты применяют или штабики или отходы производства.

После расплавления и выдержки чистота выплавленного молибдена составляет 99,9%.

Слитки и фасонные изделия из циркония и его сплавов получают в дуговых печах в нейтральной атмосфере или вакууме при остаточном давлении 2,7 Па.

Плавку с перерасходуемым вольфрамовым электродом ведут на постоянном токе напряжением 50 В. Вольфрамовый электрод способствует загрязнению расплава вольфрамом (до 0,005%). Уменьшить содержание вольфрама в цирконии можно за счет подключения к электроду отрицательного полюса.

Расходуемые электроды изготовляют прессованием или спеканием и последующей сваркой в нейтральной атмосфере. Плавку можно вести на постоянном и переменном токе. Выход металла в слитки составляет 85-90%.

При изготовлении фасонных отливок из циркониевых сплавов плавку ведут в дуговых гарнисажных печах в графитовых тиглях. Технология плавки аналогична плавке титановых сплавов.

Плавку ниобиевых сплавов в зависимости от требований к чистоте ведут в дуговых, индукционных и электронно-лучевых печах с применением медного кристаллизатора, тиглей из диоксида тория, графитовых тиглей с гарнисажем. Остаточное давление при плавке в вакуумных печах не должно превышать

1,33 * 10^-2 Па, а при плавке в среде аргона или гелия давление составляет (399 * 532) * 10² Па.

Шихтовым материалом для выплавки слитков служат штабики или расходуемые электроды, сваренные из штабиков. Перспективной является плавка из легированных штабиков, отвечающих химическому составу сплавов.

Для уменьшения содержания растворенных газов раскисление проводят углеродом, церием и иттрием.

Особенности плавки вольфрама аналогичны особенностям молибдена.