RU2191836C2

RU2191836C2 - Method of ingots production

Info

Publication number: RU2191836C2
Application number: RU2000129414A
Authority: RU
Inventors: П.С. Альтман; А.Е. Гончаров
Original assignee: Открытое акционерное общество Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-10-27

Abstract

FIELD: special electrometallurgy; applicable in production of ingots of titanium high alloys by vacuum arc remelting of consumable pressed electrodes. SUBSTANCE: after preparation of liquid metal bath on bottom of 150-200 mm high, volume of liquid metal during entire melting process is reduced due to reduction of arc current intensity to 7-10 kA, and arc gap value is reduced to 25-30 mm. EFFECT: higher ingot-to-product yield due to reduced casting defects and liquation of alloying elements. 8 cl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при получении слитков из титановых сплавов. The invention relates to the field of special electrometallurgy, namely to a vacuum arc remelting of highly reactive metals and alloys, and can be used to obtain ingots from titanium alloys.

Выбор технологической схемы получения слитков зависит от их назначения и требований к качеству изготавливаемых из них полуфабрикатов. Для основной массы слитков главное требование - чистота металла от внутренних дефектов (раковины, пустоты, поры), а также однородность химического состава и экономичность процесса получения слитков. The choice of a technological scheme for producing ingots depends on their purpose and quality requirements for semi-finished products made from them. For the bulk of the ingots, the main requirement is the purity of the metal from internal defects (shells, voids, pores), as well as the uniformity of the chemical composition and the efficiency of the ingot production process.

Известен способ получения слитков титановых сплавов диаметром 650-850 мм, включающий порционное прессование расходуемого электрода из сыпучих компонентов в виде одного блока и его дальнейший двойной вакуумно-дуговой переплав с воздействием на зону плавления и кристаллизации пульсирующим магнитным полем (Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. Отв. редактор В.В. Добаткин. М., Металлургия, 1978, с. 265-306 [1]) - прототип. A known method of producing ingots of titanium alloys with a diameter of 650-850 mm, including portion pressing of a consumable electrode from loose components in the form of one block and its further double vacuum arc remelting with a pulsating magnetic field acting on the melting and crystallization zone (Titanium alloys. Melting and casting of titanium Alloys. Edited by VV Dobatkin. M., Metallurgy, 1978, pp. 265-306 [1]) - prototype.

Плавление расходуемого прессованного электрода на больших токах дуги (25 кА) приводит к ликвации легкоплавких элементов типа железа от донника к литнику, которые затем невозможно ликвидировать последующим переплавом. При втором переплаве слиток первого переплава приваривается к огарку донником. Вследствие чего легкоплавкие элементы выплавляются из усадочной раковины и пор на поддон и сразу кристаллизуются. Здесь же кристаллизуется жидкий металл выплавляемого сплава. Содержание железа достигает 2,2-3,0%, что существенно снижает выход годного выплавляемых слитков (в брак уходит 150-350 мм от нижнего торца слитка). The melting of a consumable pressed electrode at high arc currents (25 kA) leads to segregation of fusible elements such as iron from melilot to sprue, which then cannot be eliminated by subsequent remelting. In the second remelting, the ingot of the first remelting is welded to the cinder with a clover. As a result, fusible elements are smelted from a shrink shell and pores onto a pallet and immediately crystallize. Here, the liquid metal of the melted alloy crystallizes. The iron content reaches 2.2-3.0%, which significantly reduces the yield of lost wax ingots (150-350 mm from the lower end of the ingot goes into marriage).

Кроме того, плавление прессованного электрода при значительном дуговом зазоре между торцом электрода и ванной жидкого металла приводит к разбрызгиванию жидкого металла и росту гарнисажа ("короны") до 400-800 мм, который при оплавлении разрушается и падает в ванну жидкого металла, создавая тем самым неоднородный по химическому составу объем в слитке, который трудно ликвидировать последующими переплавами. In addition, the melting of the pressed electrode with a significant arc gap between the end of the electrode and the molten metal bath leads to spatter of the molten metal and the growth of the skull ("crown") to 400-800 mm, which, when melted, collapses and falls into the molten metal bath, thereby creating the volume of the ingot, which is heterogeneous in chemical composition, which is difficult to eliminate by subsequent remelting.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение выхода годного выплавляемых слитков за счет уменьшения литейных дефектов и снижения ликвации легкоплавких элементов типа железа. The problem to which this invention is directed is to increase the yield of lost wax by reducing casting defects and reducing segregation of low-melting elements such as iron.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения слитков преимущественно титановых сплавов, после наведения ванны жидкого металла на поддоне высотой 150-200 мм объем жидкого металла на протяжении всего процесса плавления уменьшают за счет снижения силы тока дуги до 7-10 кА и уменьшения величины дугового зазора до 25-30 мм. При этом ток дуги снижают или согласно выражению: I_g = I_max•e^-τ, где I_max - максимальный ток дуги, кА; τ - время плавления электрода, ч; или ступенчато, при этом количество ступеней не менее трех. На боковой поверхности электрода выполняют метки в виде продольных приваренных пластин толщиной 5-10 мм, а процесс плавления электрода ведут до появления меток. Выведение усадочной раковины осуществляют при воздействии на дугу знакопеременным магнитным полем без видимого движения расплава. Переплав электрода ведут на обратной полярности и на подложку высотой 50-150 мм из сплава, который выплавляют.The problem is solved in that in the method for producing ingots of predominantly titanium alloys, after inducing a bath of molten metal on a tray with a height of 150-200 mm, the volume of molten metal throughout the entire melting process is reduced by reducing the arc current to 7-10 kA and reducing the magnitude of the arc clearance up to 25-30 mm. In this case, the arc current is reduced or according to the expression: I _g = I _max • e ^-τ , where I _max is the maximum arc current, kA; τ is the melting time of the electrode, h; or in steps, with the number of steps at least three. On the side surface of the electrode marks are made in the form of longitudinal welded plates with a thickness of 5-10 mm, and the process of melting of the electrode is carried out until the marks appear. The shrink shell is removed when exposed to an arc with an alternating magnetic field without visible melt movement. The remelting of the electrode is carried out on the reverse polarity and on a substrate with a height of 50-150 mm from the alloy that is smelted.

После сплавления прессованного электрода на дисплее прибора визуального контроля процесса плавки появляется светлое пятно (метка), определяющая начало режима выведения усадочной раковины (ВУР). При этом пульсирующее магнитное поле переключают на знакопеременное магнитное поле (20-40 Э), что позволяет исключить отрицательное воздействие вращения жидкого металла, создаваемое пульсирующим магнитным полем, и уменьшить ликвацию легирующих элементов в литниковой части электрода. After fusion of the pressed electrode, a bright spot (mark) appears on the display of the visual control device for the melting process, which determines the beginning of the mode of removal of the shrink shell (VUR). In this case, the pulsating magnetic field is switched to an alternating magnetic field (20-40 Oe), which eliminates the negative effect of rotation of the liquid metal created by the pulsating magnetic field and reduces the segregation of alloying elements in the gate part of the electrode.

Для исключения роста "короны" и падения ее в ванну жидкого металла плавление расходуемого электрода ведут на обратной полярности. При этом "корона" практически не образуется. To exclude the growth of the “corona” and its fall into the molten metal bath, the consumable electrode is melted at the opposite polarity. In this case, the "crown" is practically not formed.

Примеры конкретного выполнения. Examples of specific performance.

Плавление прессованных расходуемых электродов осуществляли в вакуумной дуговой электропечи ДТВ-8,7-Г10. Pressed consumable electrodes were melted in a DTV-8.7-G10 vacuum electric arc furnace.

Пример 1. Переплавляли прессованный расходуемый электрод массой 5000 кг титанового сплава Вт15. На боковой поверхности электрода была приварена титановая пластина длиной 1000 мм, толщиной 5 мм - продольная метка - для определения момента выведения усадочной раковины (ВУР). Электрод загрузили в кристаллизатор диаметром 705 мм, отцентровали и приварили к электрододержателю (огарку). Для предохранения поддона от подплавления разведение ванны жидкого металла начинали на подложку в виде темплета высотой 120 мм, диаметром 670 мм из выплавляемого сплава Вт15. Example 1. Smelted pressed consumable electrode weighing 5000 kg of titanium alloy W15. A titanium plate 1000 mm long was welded on the lateral surface of the electrode, a longitudinal mark was 5 mm thick - to determine the moment of removal of the shrink shell (VUR). The electrode was loaded into a mold with a diameter of 705 mm, centered and welded to the electrode holder (cinder). To protect the pallet from submelting, the dilution of the molten metal bath was started on the substrate in the form of a template with a height of 120 mm and a diameter of 670 mm from the W15 melted alloy.

После всех подготовительных операций печь вакуумировали, включили источник питания печи на обратную полярность (электрод - плюс, поддон - минус) и установили: ток дуги - 5 кА, дуговой зазор - 30 мм. После прогрева торца электрода ток дуги плавно увеличивали на 5 кА (10 кА, 15 кА) и прогревали на каждой ступени по 5 минут. После разведения ванны жидкого металла на поддоне (заплавления темплета), ток дуги плавно увеличили до 25 кА, дуговой зазор равнялся 85 мм. Включили соленоид (ток 5 А). После наплавления слитка высотой 150 мм ток дуги начали ступенчато снижать: сначала уменьшили до 18 кА, затем через 3,5 ч ток уменьшили до 12 кА, через 1 ч - до 10 кА. Еще через 1 ч плавки при появлении светящегося пятна (метки) перешли на режим ВУР (плавное снижение тока по 0,5 кА в течение 1 ч). При этом источник питания соленоида переключили с пульсирующего тока на знакопеременный ток (магнитное поле). Одновременно уменьшили дуговой зазор до 25 мм. После окончания ВУР печь отключили при токе дуги 2,5 кА. Слиток остывал в вакуумной печи 3 ч. Выплавленный слиток подготовили и переплавили в кристаллизатор диаметром 770 мм при силе тока дуги 12 кА на прямой полярности. After all the preparatory operations, the furnace was evacuated, the furnace power supply was turned on to the reverse polarity (electrode plus, pallet minus) and the arc current was set to 5 kA, the arc gap was 30 mm. After heating the end of the electrode, the arc current was gradually increased by 5 kA (10 kA, 15 kA) and heated at each stage for 5 minutes. After diluting the molten metal bath on the pallet (melting the template), the arc current was gradually increased to 25 kA, the arc gap was 85 mm. The solenoid was turned on (current 5 A). After deposition of an ingot with a height of 150 mm, the arc current began to be reduced stepwise: at first it was reduced to 18 kA, then after 3.5 hours the current was reduced to 12 kA, after 1 h to 10 kA. After another 1 h, the melts, when a luminous spot (mark) appeared, switched over to the VUR mode (smooth decrease in current by 0.5 kA for 1 h). In this case, the power supply of the solenoid was switched from a pulsating current to an alternating current (magnetic field). At the same time, the arc gap was reduced to 25 mm. After the end of the VUR, the furnace was turned off at an arc current of 2.5 kA. The ingot was cooled in a vacuum oven for 3 hours. The melted ingot was prepared and melted into a mold with a diameter of 770 mm with an arc current of 12 kA in direct polarity.

Полученный слиток второго переплава был хорошего качества, выход годного увеличился на 2% за счет снижения ликвации и уменьшения литейных дефектов в слитке первого переплава. The obtained ingot of the second remelting was of good quality, the yield increased by 2% due to a decrease in segregation and reduction of casting defects in the ingot of the first remelting.

Пример 2. Переплавляли прессованный расходуемый электрод массой 3800 кг титанового сплава Ti₁₀V₂Fe₃Al на прямой полярности. Отличие заключается в том, что силу тока дуги уменьшали с помощью компьютера согласно выражения: I_g = I_max•e^-τ, где I_max=20 кА, τ=8 ч. Величину дугового зазора также уменьшали с помощью компьютера в зависимости от силы тока дуги. При появлении на экране светящегося пятна (метки) на торце электрода перешли на режим ВУР (1 ч). После остывания слитка в печи (3 ч) его обработали и повторно переплавили в кристаллизатор диаметром 770 мм при силе тока дуги 16 кА.Example 2. Smelted pressed consumable electrode weighing 3800 kg of titanium alloy Ti ₁₀ V ₂ Fe ₃ Al in direct polarity. The difference is that the arc current was reduced using a computer according to the expression: I _g = I _max • e ^-τ , where I _max = 20 kA, τ = 8 hours. The value of the arc gap was also reduced using a computer depending on the strength arc current. When a luminous spot (mark) appears on the screen at the end of the electrode, they switched to the VUR mode (1 h). After cooling the ingot in the furnace (3 h), it was processed and re-melted into a mold with a diameter of 770 mm with an arc current of 16 kA.

Полученный слиток соответствовал требованиям заказчика, выход годного увеличился на 2,5% за счет снижения ликвации и литейных дефектов в слитке первого переплава. The obtained ingot corresponded to the requirements of the customer, the yield increased by 2.5% due to a decrease in segregation and casting defects in the ingot of the first remelting.

Предлагаемый способ получения слитков преимущественно титановых сплавов позволяет ликвидировать ликвацию легирующих элементов типа железа, кислорода и т. п. за счет уменьшения объема ванны жидкого металла и поддержания ее в квазистационарном состоянии путем уменьшения силы тока дуги и величины дугового зазора, что исключает преждевременную объемную кристаллизацию слитка и образование литейных дефектов типа усадочных раковин, пор. Плавление прессованного электрода предлагаемым способом позволяет ликвидировать образование "короны", снижающей качество слитка. Предлагаемый способ позволяет повысить на 2,0-2,5% выход годного выплавляемых слитков второго переплава. The proposed method for producing ingots of predominantly titanium alloys allows eliminating the segregation of alloying elements such as iron, oxygen, etc. by reducing the volume of the molten metal bath and maintaining it in a quasi-stationary state by reducing the arc current and the arc gap, which eliminates premature volume crystallization of the ingot and the formation of casting defects such as shrinkage pores. The melting of the pressed electrode of the proposed method allows to eliminate the formation of the "crown", which reduces the quality of the ingot. The proposed method allows to increase by 2.0-2.5% the yield of lost wax ingots of the second remelting.

Claims

1. The method of producing ingots, including the preparation of a pressed consumable electrode for vacuum arc remelting, the initial melting period - inducing a molten metal bath on a pallet, the main melting period, the end of the melting process - removing the shrink shell, adjusting the current, arc and arc gap, exposure to the melting and crystallization zone by a magnetic field, characterized in that after the molten metal bath is placed on a pallet 150-200 mm high, the volume of the molten metal throughout the entire melting process eniya reduced by reducing the arc current to 7-10 kA and reduce the magnitude of the arc gap to 25-30 mm.

2. The method according to claim 1, characterized in that the arc current is reduced by the following expression: I _g = I _max • e ^-τ , where I _max is the maximum arc current at the beginning of electrode melting, kA; τ is the melting time of the electrode, h

3. The method according to p. 1, characterized in that the arc current is reduced stepwise, and the number of steps is at least three.

4. The method according to claim 1, characterized in that on the side surface of the electrode marks are made in the form of longitudinally welded plates with a thickness of 5-10 mm.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the removal of the shrink shell is carried out by exposing the arc to an alternating magnetic field without visible movement of the melt.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the electrode is remelted in reverse polarity.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the electrode is remelted on a substrate with a height of 50-150 mm

8. The method according to claim 1, characterized in that the ingots are obtained by remelting titanium alloys.