(279.76 кб)

ВИАМ/2010-205503
Получение литого молибдена и его сплавов в
вакуумной дуговой гарнисажной печи
Г.В. Анисимов
А.Р. Бекетов
М.В. Баранов
А.Э. Маевский
Н.В. Обабков
Г.А. Панов
А.В. Поясов
А.Ю. Сивков
Январь 2010
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Литейщик
России», № 6, 2010 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Получение литого молибдена и его сплавов
в вакуумной дуговой гарнисажной печи
Г.В. Анисимов1, А.Р. Бекетов2, М.В. Баранов2, А.Э. Маевский3,
Н.В. Обабков2, Г.А. Панов4, А.В. Поясов3, А.Ю. Сивков3
Всероссийский институт авиационных материалов, г. Москва
УГТУ–УПИ им. Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург
3
ФГУП Комбинат «Электрохимприбор», г. Лесной Свердловской обл.
4
СВЕРДНИИХИММАШ, г. Екатеринбург
1
2
В статье приводятся результаты работ по созданию вакуумной дуговой
гарнисажной печи с расходуемым электродом и опытно-промышленной
плавки в ней молибденового сплава ЦМ-2А. В работе дано описание
оригинальной системы управления процессом электродуговой плавки в печи.
Ключевые слова: вакуумная дуговая гарнисажная печь, молибденовый
сплав.
Results of job to create vacuum arc skull furnace with consumable electrode
and trial melting of molybdenum alloy CM-2A. Job contains description of original
system to control melting process in arc furnace.
Key words: vacuum arc skull furnace, molybdenum alloy.
Гарнисажная плавка представляет собой процесс расплавления шихтовой
заготовки и накопление нужного количества расплава в тигле, внутренняя
полость которого покрыта коркой (гарнисажем) того же состава, что и
переплавляемый металл. Гарнисажные плавки проводят чаще всего в дуговой
печи с расходуемым электродом, наплавляя ванну жидкого металла.
Расплавленный металл разливают в неподвижную или во вращающуюся,
горизонтально расположенную, графитовую изложницу.
В металлургической практике получения изделий из молибдена и его
сплавов гарнисажная плавка, на наш взгляд, используется не так широко, как
это следует из тех преимуществ, которые имеет данный метод. Сегодня
достаточно утвердительно сформировалось мнение, что можно выделить
следующие достоинства вакуумной гарнисажной электродуговой плавки [1–3]:
– получение мелкозернистой структуры слитка, что позволяет снизить
степень деформации предварительной ковки литых заготовок и температуру
последующей прокатки сплавов;
– возможность получения изделий заданной формы и размеров с
требуемыми характеристиками;
– возможность получения заданного химического состава материала с
равномерным распределением элементов по объему слитка;
– минимальное взаимодействие расплавленного металла с материалом
тигля–изложницы, что особенно важно для металлов с высокой температурой
плавления.
При всех положительных качествах метода гарнисажной плавки следует
отметить некоторые его слабые стороны:
– усложнение конструкции электродуговой печи, увеличение ее рабочего
объема, так как в ней располагаются плавильный тигель, изложница и
механизм поворота плавильного тигля для разлива металла;
– повышенный расход электроэнергии в связи с необходимостью
создания определенного перегрева металла перед его разливом в изложницу;
– более сложный процесс управления плавкой.
Поэтому несомненный интерес представляют разработки, направленные
на создание вакуумных гарнисажных электродуговых печей, где реализуются
попытки уменьшения влияния негативных свойств метода.
В статье приводятся результаты работ по проектированию, изготовлению,
монтажу вакуумной гарнисажной электродуговой печи с расходуемым
электродом и опытно-промышленной плавки в ней молибдена и его сплавов.
Проектирование установки выполнено ОАО «СВЕРДНИИХИММАШ»
(Екатеринбург), изготовлена печь была на ОАО «Вента» (г. Нижняя Тура,
Свердловская обл.). Монтаж, наладка и опытно-промышленные плавки
проведены
на
Свердловская
ФГУП
обл.).
Комбинат
На
этом
«Электрохимприбор»
предприятии
(г.
Лесной,
реализован
полный
технологический цикл, начиная с формования штабиков из порошков
молибдена
и
изготовление
металлов
легирующих
расходуемых
добавок
электродов
(титана
вакуумной
и
циркония),
гарнисажной
электродуговой печи, ковочной камеры с контролируемой защитной
атмосферой и прокатного стана. Общий вид вакуумной гарнисажной
электродуговой печи представлен на рис. 1. Технические характеристики
вакуумной гарнисажной электродуговой печи приведены в табл. 1.
Рисунок 1. Общий вид вакуумной гарнисажной электродуговой печи
с расходуемым электродом
Таблица 1.
Технические характеристики вакуумной гарнисажной
электродуговой печи с расходуемым электродом
Масса выплавляемого металла (молибден)
до 35 кг
Остаточное давление газа в печи при плавке
0,0132–0,0066 Па
(10-4–5·10-5 мм рт. ст.)
Максимальная длина расходуемого электрода
1200 мм
Расход охлаждающей воды
до 30 м3/ч
Давление охлаждающей воды в основной системе
0,3–0,4 МПа
Источник питания АР-2000/1500
максимальный ток дуги
20 кА
рабочее напряжение на дуге
до 50 В
Вакуумная гарнисажная электродуговая печь оснащена автоматической
системой управления процессом плавки и устройством для центробежного
литья изделий. Скорость вращения центробежного стола – 200–400 об./мин.
Вакуумная гарнисажная электродуговая печь имеет неохлаждаемый
поворотный плавильный тигель. С одной стороны – это позволяет снизить
расход электроэнергии при плавке, а с другой стороны – требует более
тщательного
контроля
за
ведением
процесса
плавки,
а
именно,
регулирование электрических параметров печи.
Для оценки распределения тепла при плавке молибдена нами были
использованы показатели, приведенные в работе [1] и представленные в табл. 2.
Таблица 2.
Тепловой баланс при плавке молибдена в вакуумной
гарнисажной электродуговой печи [1]
Расход тепла
% от общего
количества
Нагрев, плавление и перегрев металла
22,2
Отвод тепла от ванны в металл
63,4
Тепловые потери на излучение (от расплава металла)
9,0
Тепловые потери при испарении
4,1
Потери тепла излучением с боковой поверхности электрода
0,7
Аккумуляция тепла огарком электрода и отвод тепла в
0,6
электрододержатель
Распределение тепла в процессе плавки молибдена учитывали при выборе
параметров плавки, а также при разработке конструкции расходуемого
электрода, тиглей.
Неохлаждаемый поворотный плавильный тигель печи изготовлен из
коррозионностойкой стали и имеет внутренний диаметр 400 мм. Внутри
тигель для создания гарнисажа выкладывается штабиком в несколько слоев
того же состава, что и выплавляемый металл (рис. 2). В процессе плавки в
неохлаждаемом
плавильном
тигле
происходит
плавление
не
только
расходуемого электрода, но и гарнисажа. Оптимальным следует считать
режим, когда плавление электрода происходит с контролируемой скоростью
(близкой к максимальной), а плавление гарнисажа и переход его в расплав
должен быть минимальным. Поэтому необходимо в процессе плавки
поддерживать
определенный
температурный
режим,
чтобы
избежать
перегрева гарнисажа, его чрезмерного плавления и взаимодействия со
стенками плавильного тигля. При этом необходимо обеспечить такие условия
плавки, чтобы перегрев расплавленного металла в тигле составлял 200–300°С,
что необходимо для нормального разлива металла в тигель-изложницу.
Рисунок 2. Схематический разрез плавильного тигля:
1 – гарнисаж из штабика; 2 – стенка тигля из коррозионностойкой стали;
3 – вырез для слива металла; 4 – термопара
В результате проведенных расчетов, подтвержденных опытным путем,
была
выбрана
оптимальная
толщина
искусственного
гарнисажа
из
молибденовых штабиков. Неохлаждаемый плавильный тигель выкладывают
изнутри искусственным гарнисажем из молибденового штабика сечением
21×21 мм не менее чем в 5 слоев. Такой же толщины выкладывается
штабиком
дно
плавильного
тигля
(см.
рис.
2).
Тигель-изложница
изготавливался из графита марки МГ-7.
В процессе плавки с помощью термопары контролировали температуру
внутренней поверхности стенки плавильного тигля из коррозионностойкой
стали (см. рис. 2). Было установлено, что температура на этом участке в
конце плавки не превышала 400–600°С.
Как показали опытные плавки молибдена и сплавов на его основе,
выбранная конструкция плавильного тигля позволяет оптимизировать расход
электроэнергии при плавке и упростить конструкцию дуговой печи.
Для ведения процесса плавки на гарнисажной печи была разработана
оригинальная система управления. При ее разработке учитывали следующие
условия функционирования оборудования:
• высокий уровень помех при ведении электродуговой плавки;
• требования оптимального выбора органов управления процессом с
целью минимизации их количества;
• требования повышенной ремонтопригодности и запаса прочности
оборудования в условиях отработки технологии;
• требования повышенной гибкости для возможных необходимых
изменений программного обеспечения оборудования.
Основой системы управления является микроконтроллер, что служит
одним из факторов устойчивости системы к мощным электромагнитным
помехам,
возникающим
при
горении
дуги.
На
микроконтроллере
реализованы алгоритмы управления процессом плавки. Обслуживание
оборудования печи, непосредственно не участвующего в процессе, ведется
промышленным компьютером. Система управления состоит из системы
управления оборудованием, системы регистрации параметров процесса: ток
и напряжение дуги, остаточное давление в печи, температуры в контрольных
точках оборудования и др., а также системы видеорегистрации процесса
плавки. Видеоинформация в ходе процесса плавки выводится на монитор
пульта плавильщика, обеспечивая его визуальным представлением о
состоянии электрической дуги и зоны плавки.
В настоящее время система управления позволяет вести плавку в
следующих режимах:
– в режиме ручного управления процессом;
– в режиме поддержания напряжения на дуге;
– в режиме контроля линейного расхода электрода.
В ручном режиме управления оператором проводится зажигание
электрической дуги, прогрев электрода и гарнисажа, при этом система
управления автоматически отслеживает величины напряжения и тока дуги и
вмешивается в процесс подачи электрода в зону дуги в ситуациях
возможного возникновения короткого замыкания. При этом система
управления притормаживает или ускоряет подъем электрода до тех пор, пока
не будет достигнуто установленное значение напряжения на дуге.
Процесс контроля короткого замыкания осуществляется системой
управления постоянно, так же, как и в двух других режимах работы. Ручной
перевод оператором-плавильщиком источника питания дуги в область
больших токов воспринимается системой управления как переход к режиму
плавки. При этом в зависимости от задач плавки можно оставить систему в
ручном режиме, либо перевести ее в режим поддержания напряжения на
дуге, либо в режим контроля линейного расхода электрода.
Режим поддержания напряжения на дуге обеспечивает постоянное
значение напряжения на дуге изменением скорости подачи электрода. В
режиме контроля положения электрода система управления определяет
длину расплавленной части электрода и при достижении заданного значения
его длины заканчивает процесс плавки в автоматическом режиме путем
«отстрела» электрода, отключением источника и разливом расплавленного
металла в изложницу. Указанные режимы работы системы управления
программно и аппаратно отлажены, что на сегодняшний день позволяет
перейти на полностью автоматизированный режим ведения процесса плавки.
Поскольку процесс электродуговой плавки достаточно скоротечен и требует
оперативного управления оператора-плавильщика, то на его пульт управления
выведено минимальное количество ручных регуляторов для задания величины
тока дуги и скорости подачи электрода, а также переключатель режимов
работы. Контроль процесса плавки ведется по величине тока и напряжения на
дуге. На дисплей контроллера системы управления выводится текущее
значение скорости подачи электрода. На монитор пульта оператораплавильщика выводится видеоинформация о ходе процесса плавки.
Типичная картина изменения электрических параметров процесса плавки
приведена на рис. 3. Внешний вид слитка молибденового сплава ЦМ-2А
представлен на рис. 4.
Рисунок 3. Изменения электрических параметров процесса плавки молибденового
сплава ЦМ-2А в вакуумной гарнисажной электродуговой печи
Рисунок 4. Внешний вид слитка молибденового сплава ЦМ-2А
после вакуумной гарнисажной электродуговой плавки
В заключение следует обратить внимание на поведение в процессе плавки
примесей и легирующих присадок (титана и циркония). Для получения
молибденовых сплавов, в частности ЦМ-2А порошки титана и циркония как
присадки вводили в штабики на стадии их формования. В дальнейшем эти
штабики шли на изготовление расходуемого электрода и искусственного
гарнисажа. Как показали результаты химического анализа, в процессе плавки
наблюдается снижение газообразных примесей (кислорода, азота и водорода)
в 5–6 раз. Содержание металлических присадок титана и циркония
практически не меняется, и они гомогенно распределены по объему слитка.
Выводы
Спроектирована, изготовлена и запущена в эксплуатацию вакуумная
гарнисажная электродуговая печь с неохлаждаемым плавильным тиглем.
Проведены опытно-промышленные плавки молибденового сплава ЦМ-2А,
показавшие надежность конструкции печи и работоспособность всех ее узлов.
Разработана
система
управления
процессом
вакуумной
дуговой
гарнисажной плавки, позволяющая вести процесс в режиме ручного
управления процессом, либо в автоматическом режиме.
Показано, что в процессе вакуумной гарнисажной электродуговой плавки
снижается в 5–6 раз концентрация газообразных примесей. При этом
содержание металлических добавок в сплаве остается без изменения.
Список литературы:
1. Неуструев А.А., Ходоровский Г.Л. Вакуумные гарнисажные печи – М: Металлургия,
1967. – 272 с.
2. Моргунова Н.Н., Клыпин Б.А., Бояршинов В.А. и др. Сплавы молибдена. – М:
Металлургия, 1975 – 392 с.
3. Уонг Дж., Кристофер С.С., Уоркестер С.А. Производство тугоплавких металлов и
сплавов / Свойства тугоплавких металлов и сплавов – М: Металлургия, 1968 –
С. 238–262.