3.2.7. Плавка титана и его сплавов

Высокая реакционная способность, склонность к активно­му химическому взаимодействию с кислородом, азотом, углеродом и другими элементами не позволяют плавить титан и его сплавы в обыч­ных металлургических печах. Плавку титана необходимо производить в условиях, предохраняющих жидкий металл от насыщения газами и другими вредными примесями. Технически чистый титан имеет срав­нительно низкую прочность, поэтому в промышленности используют главным образом сплавы титана.

Высокая температура плавления титана (~ 1660 °С) в сочетании с вы­сокой химической активностью создает большие трудности при плавке и литье сплавов на основе титана. Чтобы титан не стал хрупким в результа­те загрязнения газами, плавку и литье проводят в высоком вакууме или в атмосфере инертного газа высокой чистоты, а также не допускают соприкосновения металла с огнеупорными материалами.

В настоящее вре­мя разработано несколько методов получения титана, предотвращаю­щих загрязнение металла газами или огнеупорными материалами:

1) ва­куумная дуговая плавка;

2) плавка в печи с гарниссажем;

3) плавка в электрошлаковой печи;

4) плазменно - дуговая плавка;

5) индукционная плавка в графитовом тигле.

6) электронно - лучевая плавка.

Для всех видов плавок, за исключением ин­дукционной, при плавлении титана применяют для формирования слит­ка медный водоохлаждаемый кристаллизатор, а при гарниссажной плав­ке - также графитовый тигель.

В электрошлаковой плавке источником нагрева служит джоулево тепло, выделяющееся при прохождении тока через слой флюса (фто­рида кальция), который является элементом сопротивления. Процесс осуществляется по схеме расходуемого электрода. При этой плавке параметры плавлении легко регулируются, поверхность слитков получа­ется такой, что их можно использовать для дальнейших переделов без обточки. Кроме того, можно получать слитки плоского и квадратного сечения, что очень удобно для прокатки.

Способ плазменно-дуговой плавки позволяет переплавить сыпу­чую шихту с добавкой любого количества отходов. Источником тепла в этом процессе служит поток ионизированного газа-плазмы, подава­емого в зону плавки специальными устройствами - плазмотронами. При плазменной плавке, которая может осуществляться также и по схеме расходуемого электрода, повышается безопасность процесса, поверхность слитков лучше, чем при дуговой плавке.

Способ индукционной плавки предусматривает использование главным образом графитового тигля, при этом весь переплавляемый металл находится в расплавленном виде в отличие, например, от вакуумно-дуговой плавки, когда формирование слитка из жидкой ванны.

Рис. 19 . Схема вакуумно-дуговой печи с расходуемым электродом:

1 - расходуемый электрод; 2 - охлаждаемый водой кри­сталлизатор; 3 - слиток тита­на; 4 - расплавленный металл; 5 - медный охлаждаемый поддон ; 6 - вакуумная ка­мера; 7 – токоподвод

Выплавку слитков первого и второго переплавов производят и однотипных печах. Схема вакуумной дуговой печи приведена на рис. 19, Основные узлы печи: изложница, поддон, электрододержатель, рабочая камера, вакуумная система.

Изложница - самая важная часть печи. В ней происходит горение дуги, плавление электрода, кристаллизация слитка. Изложница состо­ит из медного кристаллизатора, обычно цилиндрической формы, и корпуса, изготовляемого из коррозионностойкой стали. При работе печи в кольцевой зазор между кристаллизатором и корпусом полается вода под давлением для охлаждения кристалл и затора. Высокая тепло­проводность и пластичность меди обеспечивает длительную работу кристаллизатора в условиях термических напряжений, возникающих при воздействии жидкого металла и излучения дуги. На корпус изложницы наматывают соленоид, который создаст внутри кристаллизатора продольное магнитное поле. При взаимодействии электрической дуги с магнитным полем оно стабилизирует горение дуги и вращает ванну жидкого металла, улучшая условия перемешивания жидкой ванны.

Другой важный узел - поддон. Он закрывает кристаллизатор снизу и в начальный период плавки испытывает большие тепловые нагруз­ки. Поддон изготавливают из меди и также охлаждают водой, подава­емой под давлением.

Электрододержатель предназначен для вертикального перемеще­ния расходуемого электрода в печи и подачи напряжения на дугу. Его обычно изготавливают из стали. Он представляет собой две коаксиально расположенные трубы, но во внутреннюю подается вода для охлаждения. Электрододержатель вводят в рабочее пространство через кольцевое уплотнение. Снизу к наружной трубе приварен хвостовик с резьбой. На хвостовик навинчивают титановый отрок, который слу­жит для крепления (припарки) расходуемого электрода.

Рабочая камера предназначена для размещения части расходуемого электрода, который обычно длиннее кристаллизатора, и для соедине­ния кристаллизатора с вакуумной системой. В верхней части камеры расположены смотровые окна, через которые при помощи перископов ведут визуальное наблюдение за ходом плавки. Камеру изготавливают из коррозионностойкой стали, она испытывает относительно неболь­шие тепловые нагрузки,

Вакуумная система состоит из вакуумных насосов, вакуумпроводов, запорной арматуры и приборов контроля. Система должна обес­печивать быструю откачку воздуха из печи перед планкой до давления 13,3 Па и поддержание во время плавки давления < 26,6 Па. Для откач­ки используют один или несколько механических форвакуумных на­сосов типа ВН-6Г и механических бустерпых насосов типа 2ДВН-150О или 2ДВН-ЗООО.

Плавление металла происходит под действием тепла, выделяемого электрической дугой, которая горит между расходуемым электродом и поверхностью ванны жидкого металла. Для планки титана используют постоянный ток: отрицательным полюсом является расходуемый электрод, положительным - наплавляемый слиток. В качестве источ­ников питания используют машинные генераторы или вентильные кремниевые выпрямители. В современных промышленных печах ис­пользуют силу тока до 37,5 кА при напряжении 30-80 В.

Плавление слитков происходит следующим образом. Расходуемый электрод помещают в печь и сваривают с огарком. Затем, подняв электрод, зажигают дугу между нижним торцом электрода и поддоном. При выплавке крупных слитков второю переплава на поддон обычно кладут темплет из того же сплава для защиты поддона от прямого воз­действия дуги. Конец электрода разогревается дугой до температуры, превышающей температуру плавления, на торце образуются капли жидкого металла. Когда масса капли превысит силы поверхностного натяжения, капля отрывается и падает на поддон. Постепенно элект­род подают вниз, а слиток нарастает вверх, при этом в верхней части слитка образуется ванна жидкого металла. Таким образом, одновре­менно идут плавление и кристаллизация слитка.

Рис. Вид расплавного тигля и верхнего слитка титана

Для получения сплавов титана с алюминием, марганцем, ванадием, хромом и другими металлами легирующие добавки примешивают к губке, поступающей на изготовление электрода для первой плавки.

Продукция изделий из титана и его сплавов.

Титановое литье

Титановое литье

Титановые изделия

Рис. Виды титановой продукции