Получение компактного титана

Высокая температура плавления титана в сочетании с высокой химической активностью не позволяют плавить титан в обычных металлургических печах. Чтобы титан не стал хрупким в результате загрязнения газами и другими примесями, плавку и литье проводят в вакууме, что способствует испарению примесей из губки, или в атмосфере инертного газа высокой чистоты, а также не допускают соприкосновения металла с огнеупорными материалами.

Применяют несколько методов плавки титана, предотвращающих его загрязнение:

1) вакуумная дуговая плавка - самая распространённая технология;

2) плавка в печи с гарниссажем – новая уникальная технология, не имеющая аналогов в мире, позволяет получать однородные по структуре рафинированные слитки титана;

3) плазменно-дуговая плавка - позволяет переплавить любые измельчённые отходы губки. Источником тепла служит поток ионизированного газа (плазмы), подаваемого специальными устройствами - плазмотронами.

Титан и его сплавы получают методом плавки в дуговых вакуумных печах двух видов: с нерасходуемым (графитовым) электродом (рис. 13) и с расходуемым (титановым) электродом (рис. 14). Высокий вакуум надежно защищает металл от загрязнения газовыми примесями. Плавление титановой губки происходит под действием тепла от электрической дуги, которая горит между электродом и поверхностью жидкого титана. Используют постоянный ток силой до 40 кА при напряжении 30-80 В; отрицательный полюс - электрод, положительный - выплавляемый слиток.

 

Рисунок 13 -Вакуумно-дуговая печь с нерасходуемым электродом 1 - поддон; 2 - корпус; 3 - соленоид; 4 - изложница; 5 - патрубок к вакуум-насосу; 6 - бустерный насос; 7 - дозаторы; 8 - бункер для легирующих материалов; 9 - бункер для губки; 10 – подающий механизм; 11 - подвижное уплотнение; 12 - смотровое окно; 13 - крышка; 14 - электрододержатель; 15 - графитовый электрод

Рисунок 14 -Вакуумно-дуговая печь с расходуемым электродом 1 - поддон; 2 - изложница; 3 - слиток; 4 - соленоид; 5 - расходуемый электрод; 6 - электрододержатель; 7 - смотровое окно; 8 - токоподводящий контакт; 9 - подающий механизм; 10 - подвижное уплотнение;  11 - патрубок к насосу

 

Все электродуговые вакуумные печи для плавки титана имеют общие основные узлы.

Корпус печи изготавливают из коррозионностойкой стали и соединяют с вакуумной системой.

Изложница - кристаллизатор самая важная часть печи, представляет собой медный цилиндр. В изложнице происходит горение дуги, плавление губки и кристаллизация слитка. При работе печи в кольцевой зазор между кристаллизатором и корпусом под давлением подается вода для охлаждения кристаллизатора. Высокая теплопроводность меди обеспечивает длительную работу кристаллизатора при воздействии жидкого металла и излучения дуги.

На корпус наматывается соленоид, который создаёт внутри кристаллизатора продольное магнитное поле. Взаимодействуя с электрической дугой, магнитное поле стабилизирует горение дуги и вращает жидкий металл. Изменяя ток на соленоиде, можно «сжимать» или «развертывать» дугу, усиливать или уменьшать перемешивание расплава.

П оддон 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 подачи напряжения и вертикального перемещения электрода.

Крышку и электрододержатель делают из стали. В крышке расположено смотровое окно, через которое при помощи перископа ведут визуальное наблюдение за ходом плавки.

Газоотводная система состоит из вакуумных насосов высокой производительности, вакуумпроводов, запорной арматуры и приборов контроля.

Технология плавки по способу нерасходуемого электрода (рис. 13)

На поддон кладут темплет (диск из того же сплава, который будут получать) для защиты поддона от прямого воздействия дуги. Титановую губку засыпают в бункер 9, а легирующие компоненты в бункер 8. Дозаторами 7 выдерживается заданное соотношение между титаном и добавками, компоненты непрерывно подают в изложницу 4. Графитовый электрод перемещают вниз до возникновения дугового разряда с темплетом. По мере плавления металла электрод и соленоид поднимают, образуется ванна жидкого металла, слиток постепенно нарастает вверх, а нижняя часть застывает.Таким образом, одновременно идут плавление и кристаллизация слитка.

При плавке из губки вначале испаряются вода и газы, затем магний и хлористый магний, которые конденсируются на медной стенке над расплавом и на электроде. Часть солей, перегреваясь, прорывается через расплав и разбрызгивается на стенке изложницы. Полученный слиток имеет плохо проплавленную шероховатую поверхность и неравномерный химический состав, а применение графита загрязняет металл углеродом. Плавка с нерасходуемым электродом сейчас применяется редко, только для получения некоторых сплавов.

Технология плавки по способу расходуемого электрода (рис. 14)

Это основной способ производства слитков титана высокой чистоты и титановых сплавов. Расходуемым (переплавляемым) электродом служит слиток первичной плавки или прессованный электрод из измельчённой губки. Для изготовления титановых сплавов используют шихту из губки и легирующих элементов в соответствии с заданным химическим составом сплава.

В печи нижняя часть прессованного электрода разогревается дугой до температуры, превышающей температуру плавления титана и на нём образуются капли жидкого металла. Когда масса превысит силы поверхностного натяжения, капля падает на поддон, и слиток постепенно нарастает за счет плавления расходуемого электрода. Важнейшее условие при плавке - её непрерывность. Перерыв в плавке приводит к образованию в слитке усадочных пустот, газовых и усадочных пор, а иногда и тончайших трещин. Для выявления дефектов слитки подвергают ультразвуковому контролю. При обнаружении крупных пор дефектную часть слитка отрезают. Если дефект залегает в середине слитка, его подвергают еще одному переплаву.

 

Задание 11. Изучить приведённый материал и ответить на вопросы

1. Из чего изготовляют нерасходуемый и расходуемый электроды?

2. Перечислить условия получения качественных слитков титана

3. Зачем нужен соленоид?

4. Почему титан и магний получают на одном предприятии?