RU2154683C1

RU2154683C1 - Method of production of ingots by vacuum arc autocrucible melting

Info

Publication number: RU2154683C1
Application number: RU99117667A
Authority: RU
Inventors: В.А. Дробышев; В.Г. Зиновьев; А.Б. Золотарев; В.С. Зурабов; Ю.И. Чистов; В.И. Кораблев; А.А. Дубиков; А.К. Шиков; В.И. Панцырный; Г.П. Ведерников
Priority date: 1999-08-16
Filing date: 1999-08-16
Publication date: 2000-08-20

Abstract

FIELD: metallurgy; production of ingots of homogeneous composition from alloys of refractory metals by vacuum arc autocrucible melting. SUBSTANCE: proposed method includes melting of two cycles of remelting of consumable electrode into crucible and casting in ingot mold; at each remelting cycle, melt is held for definite period of time; total delay time of two remelting cycles is found from the following dependence:

, where τ_total is total delay time of two remelting cycles, s; K is relationship of melting points of the most refractory component to melting point of alloy ((K ≥ 1,2), m); m is mass of melt in crucible by the moment of disconnection of arc at first remelting cycle to total delay time at two remelting cycles equal to

, where τ₁ is delay time of melt before casting at first remelting cycle, s. Method provides for production of ingots of homogeneous composition for manufacture of rolled stock, wire and pipes, especially for manufacture of superconducting wires with ultrafine fibers (< 1 μm). Ingots are made from alloys containing components whose melting points exceed melting points of alloy by at least 1.2 times. EFFECT: enhanced efficiency. 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения однородных по химическому составу слитков из сплавов тугоплавких металлов путем вакуумной дуговой гарнисажной плавки (ВДГП). The invention relates to the field of metallurgy and can be used to obtain homogeneous in chemical composition ingots from alloys of refractory metals by vacuum arc skull melting (VDGP).

Известен способ ВДГП [1], включающий сплавление расходуемого электрода в тигель с разливкой расплава в изложницу, при котором для исключения захолаживания металла в тигле разливку расплава в изложницу осуществляют при горящей дуге, перемещая электрод вслед за уровнем расплава в тигле. Недостатком данного способа является наличие включений в теле слитков при переплаве сплавов, содержащих компоненты, температура плавления которых превосходит температуру плавления сплава, образующихся из-за отсутствия достаточного времени выдержки расплава в тигле для растворения последних порций сплавляемого электрода. A known method of VDGP [1], comprising fusing the consumable electrode into a crucible with casting the melt into a mold, in which to exclude cooling of the metal in the crucible, casting the melt into the mold is carried out with a burning arc, moving the electrode after the level of the melt in the crucible. The disadvantage of this method is the presence of inclusions in the body of the ingots during remelting of alloys containing components whose melting point exceeds the melting point of the alloy formed due to the lack of sufficient melt holding time in the crucible to dissolve the last portions of the alloyed electrode.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ ВДГП металлов и сплавов, в том числе содержащих компоненты, температура плавления которых превосходит температуру плавления сплава не менее чем в 1,2 раза, включающий сплавление расходуемого электрода в тигель и разливку металла в изложницу при отключенной дуге, при котором обеспечивают максимально быстрый подъем штока электрододержателя после отключения дуги, причем еще до завершения его подъема начинают наклонять тигель и осуществлять разливку практически без выдержки расплава в тигле [2] - прототип. The closest technical solution, selected as a prototype, is the method of VDGP metals and alloys, including containing components whose melting point exceeds the melting point of the alloy by at least 1.2 times, including fusing the consumable electrode into a crucible and casting the metal into the mold when the arc is off, in which the electrode holder rod is raised as quickly as possible after the arc is turned off, and even before its completion, the crucible is tilted and cast kticheski undelayed melt in the crucible [2] - prototype.

Недостатком данного способа при переплаве расходуемых электродов, содержащих компоненты, температура плавления которых превосходит температуру плавления сплава не менее чем в 1,2 раза, является невозможность обеспечения однородности слитков по химическому составу из-за недостаточного времени выдержки расплава в тигле после отключения дуги, необходимого для полного растворения тугоплавкого компонента. Так, при ВДГП сплава ниобия с 48 мас.% титана по прототипу в теле слитка обнаружены включения диаметром до 1,5 см, содержащих до 75 мас.% ниобия, что не позволяет получить качественную продукцию, особенно микропрофильную. Увеличение же времени выдержки расплава в тигле перед сливом резко снизило количество сливаемого металла и привело к более быстрому зарастанию гарнисажа в тигле. The disadvantage of this method when remelting consumable electrodes containing components whose melting point exceeds the melting point of the alloy by at least 1.2 times, is the inability to ensure uniformity of the ingots in chemical composition due to insufficient holding time of the melt in the crucible after turning off the arc necessary complete dissolution of the refractory component. So, when VDGP of a niobium alloy with 48 wt.% Titanium according to the prototype, inclusions with a diameter of up to 1.5 cm containing up to 75 wt.% Niobium were found in the ingot body, which does not allow to obtain high-quality products, especially microprofiles. The increase in the exposure time of the melt in the crucible before discharge drastically reduced the amount of metal to be drained and led to a more rapid overgrowing of the skull in the crucible.

Технической задачей, решаемой с помощью данного изобретения является получение однородных по химическому составу слитков из сплавов, содержащих компоненты, температура плавления которых превышает температуру плавления сплава не менее чем в 1,2 раза. The technical problem solved with the help of this invention is to obtain ingots with uniform chemical composition from alloys containing components whose melting point exceeds the melting point of the alloy by at least 1.2 times.

Решение поставленной задачи достигают тем, что проводят вакуумную дуговую гарнисажную плавку расходуемого электрода, состоящую из двух переплавов, при которой на каждом переплаве перед разливкой в изложницу осуществляют выдержку расплава, причем суммарное время выдержки на двух переплавах определяется выражением

где τ_сум - суммарное время выдержки расплава на двух переплавах, с;
K - отношение температур плавления наиболее тугоплавкого компонента к температуре плавления сплава;
m - масса расплава в тигле к моменту отключения дуги, на первом переплаве, кг,
при соотношении времени выдержки расплава перед разливкой на первом переплаве к суммарному времени выдержки расплава на двух переплавах, равном

τ₁ - время выдержки расплава перед разливкой на первом переплаве, с.The solution to this problem is achieved by conducting a vacuum arc skull melting of a consumable electrode, consisting of two remelts, in which the melt is held at each remelting before casting into the mold, and the total holding time at two remelts is determined by the expression

where τ _sum - the total exposure time of the melt at two remelts, s;
K is the ratio of the melting points of the most refractory component to the melting point of the alloy;
m is the mass of the melt in the crucible by the time the arc is turned off, at the first remelting, kg,
when the ratio of the exposure time of the melt before casting on the first remelting to the total exposure time of the melt at two remelts equal to

τ ₁ - the exposure time of the melt before casting at the first remelting, C.

Результаты экспериментов по ВДГП сплавов титана с ниобием и вольфрамом, приведенные в таблице, показывают, что при значениях суммарного времени выдержки расплава в тигле перед сливом (τ_сум), больших или меньших рассчитанных по выражению (1) (при соблюдении соотношения 0,35 ≤ τ₁/τ_сум≤ 0,65), приводит соответственно либо к резкому снижению количества сливаемого металла (коэффициента слива металла - α) и быстрому зарастанию гарнисажа в тигле, что ухудшает технико-экономические показатели процесса, либо к появлению в теле слитка включений, обогащенных тугоплавким компонентом. Несоблюдение соотношения 0,35 ≤ τ₁/τ_сум≤ 0,65 при τ_сум в пределах, рассчитанных по выражению (1), приводит к резкому уменьшению коэффициента слива металла.The results of experiments on the HPHG of titanium alloys with niobium and tungsten, shown in the table, show that when the values of the total melt holding time in the crucible before discharge (τ _sum ) are greater or less than those calculated by expression (1) (subject to the ratio 0.35 ≤ τ ₁ / τ _sum ≤ 0.65), respectively, either leads to a sharp decrease in the amount of metal to be drained (metal discharge coefficient - α) and fast overgrowing of the skull in the crucible, which worsens the technical and economic performance of the process, or to the appearance of inclusions in the body, Oh God whelping refractory component. Non-compliance with the ratio of 0.35 ≤ τ ₁ / τ _sum ≤ 0.65 at τ _sum in the range calculated by expression (1), leads to a sharp decrease in the coefficient of discharge of metal.

Примером осуществления предлагаемого способа является получение сплава ниобия с 48 мас.% титана (K= 1,48) в печи 1 ДРВГ 0,025 ПЦ, вакуумной дуговой гарнисажной плавкой, при которой расходуемый электрод для первого переплава формировали из прутка ниобия диаметром 120 мм и прутков титана диаметром 50 мм, которые равномерно размещали по образующей прутка ниобия. Масса электрода - 62 кг. Электрод сплавляли в медный водоохлаждаемый тигель диаметром 360 мм, в котором размещали гарнисаж и подгрузку из сплава того же состава массой 30 кг. Мощность дуги в рабочем режиме составляла примерно 800 кВт (ток дуги ≈ 21 кА, напряжение ≈ 37-39 В). Остаточное давление в печи < 0,13 Па. Время плавки - 10,5 мин. После отключения дуги расплав выдерживали в течение 5 с (τ₁= 5 сек) и производили слив расплава в изложницу через носок тигля путем его поворота. Полученный в результате первого переплава слиток массой 81,5 кг использовали в качестве расходуемого электрода для второй ВДГП с подгрузкой в тигель 17 кг сплава того же состава. Плавку проводили на мощности ≈ 750 кВт (ток дуги ≈ 20 кА, напряжение - 37-39 В). Время плавки - 7 мин. После отключения дуги расплав выдерживали 4 с. Суммарное время выдержки на двух переплавах составило 9 с (τ₁/τ_сум= 0,583). Масса слитка 87,5 кг. Полученный слиток был подвергнут исследованиям на наличие включений. Слиток исследовали методами гаммадефектоскопии и металлографического анализа. Для проведения металлографического анализа от слитка отрезали три поперечных темплета (верх, середина, низ), а из оставшихся частей слитка вырезали продольные темплеты. Все темплеты (поперечные и продольные) подвергались шлифовке и травлению. В результате проведенных исследований каких-либо включений и иных дефектов структуры не обнаружено.An example of the implementation of the proposed method is to obtain a niobium alloy with 48 wt.% Titanium (K = 1.48) in a furnace 1 DRVG 0,025 PCs, vacuum arc skull melting, in which a consumable electrode for the first remelting was formed from a bar of niobium with a diameter of 120 mm and titanium rods with a diameter of 50 mm, which are evenly placed along the generatrix of the bar of niobium. The mass of the electrode is 62 kg. The electrode was fused into a water-cooled copper crucible with a diameter of 360 mm, in which a skull and a load of alloy of the same composition weighing 30 kg were placed. The arc power in the operating mode was approximately 800 kW (arc current ≈ 21 kA, voltage ≈ 37-39 V). The residual pressure in the furnace is <0.13 Pa. Melting time - 10.5 minutes. After turning off the arc, the melt was held for 5 s (τ ₁ = 5 sec) and the melt was drained into the mold through the nose of the crucible by turning it. An ingot weighing 81.5 kg obtained as a result of the first remelting was used as a consumable electrode for the second WDGP with loading 17 kg of an alloy of the same composition into the crucible. Melting was carried out at a power of ≈ 750 kW (arc current ≈ 20 kA, voltage - 37-39 V). Melting time - 7 minutes. After turning off the arc, the melt was held for 4 s. The total exposure time at two remelts was 9 s (τ ₁ / τ _sum = 0.583). Ingot weight 87.5 kg. The resulting ingot was examined for inclusions. The ingot was investigated by gammodefectoscopy and metallographic analysis. To perform metallographic analysis, three transverse templates (top, middle, bottom) were cut from the ingot, and longitudinal templates were cut from the remaining parts of the ingot. All templates (transverse and longitudinal) were subjected to grinding and etching. As a result of the studies, no inclusions and other structural defects were found.

Данные исследования свидетельствуют о решении поставленной задачи и получении нового технического решения при создании способа получения слитков вакуумной дуговой гарнисажной плавкой, обеспечивающего высокую однородность слитков по химическому составу (по сравнению с прототипом). Предложенный способ может найти применение при промышленном производстве высокогомогенных сплавов, предназначенных для получения проката, проволоки, труб, в особенности для производства сверхпроводящих проводов с ультратонкими волокнами (< 1 мкм). These studies indicate the solution of the problem and obtaining a new technical solution when creating a method for producing ingots by vacuum arc skull melting, providing high uniformity of the ingots in chemical composition (compared with the prototype). The proposed method can find application in the industrial production of highly homogeneous alloys designed to produce rolled products, wire, pipes, in particular for the production of superconducting wires with ultra-thin fibers (<1 μm).

Источники информации:
1. Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. Под ред. Добаткина В.И. - М.: Металлургия, 1978, с. 53.Sources of information:
1. Titanium alloys. Melting and casting of titanium alloys. Ed. Dobatkina V.I. - M.: Metallurgy, 1978, p. 53.

2. Неуструев А. А., Ходоровский Г.Л. Вакуумные гарнисажные печи. - М.: Металлургия, 1967, с. 81 - прототип. 2. Neustruev A. A., Khodorovsky G.L. Vacuum skull ovens. - M.: Metallurgy, 1967, p. 81 is a prototype.

Claims

A method of producing ingots using vacuum arc skull melting from alloys containing components whose melting point exceeds the melting point of the alloy by at least 1.2 times, including melting the consumable electrode into a crucible with casting into a mold, characterized in that the consumable electrode is melted in two remelting, at each remelting, before melt casting, the melt is aged, and the total aging time at two remelts is determined by the expression

where τ _sum - the total exposure time of the melt at two remelts, s,
K is the ratio of the melting temperatures of the most refractory component to the melting temperature of the alloy (K ≥ 1.2);
m is the mass of the melt in the crucible by the time the arc is turned off at the first remelting, kg,
when the ratio of the exposure time of the melt before casting on the first remelting to the total exposure time of the melt at two remelts equal to

where τ _{1 is} the exposure time of the melt before casting at the first remelting, sec.