5.2. Гарнисажная плавка титановых сплавов
С учетом высокой химической активности титана, его плавку и разливку можно вести только в вакуумных печах. Плавильно-заливочные установки включают в себя: вакуумную электродуговую гарнисажную печь, камеру для установки и заливки форм, механизмы загрузки и выгрузки форм, вакуумную систему и источник питания. Источником нагрева служит электрическая дуга. Плавку металла гарнисажным способом ведут в водоохлаждемом тигле, на стенках которого намораживается корка твердого металла (гарнисаж), которая изолирует расплав от стенки тигля. Плавку можно вести с расходуемым или нерасходуемым электродом.
При освоении технологии плавки титана предпочтение отдавали тиглям из плотного электродного графита. При всех предосторожностях гарнисажной плавки происходило насыщение металла углеродом. В связи с ужесточением требований к чистоте металла переходят на плавку в медных водоохлаждаемых тиглях, которые позволяют увеличить количество переплавляемых отходов и температуру перегрева сплава, что имеет большое значение при получении тонкостенных крупногабаритных отливок.
Расходуемыми электродами служат слитки одинарного или двойного переплава или кованые прутки заданного химического состава. Нерасходуемые электроды изготовляют из тугоплавких металлов, например, вольфрама. Возможно получение расходуемого электрода из отходов, которые режут на мерные заготовки, загружают в цилиндрическую изложницу и заливают жидким сплавом. В итоге получается монолитный электрод, который можно использовать для получения фасонных отливок.
Сущность гарнисажной плавки показана на рис. 26. Перед началом плавки на дно тигля 2 укладывается до 30 % собственных отходов (прибыли, литники, бракованные отливки).
Рис. 26. Схема гарнисажной плавки.
Между отходами и электродом 1 разжигается электрическая дуга. Торцевая часть электрода расплавляется и капли жидкого металла стекают в тигель. Плавку ведут до получения необходимого количества расплава 4. Так как тигель установлен в медном водоохлаждаемом корпусе 5, то на стенках тигля образуется твердая корочка металла 3, называемая гарнисажем.
В ходе плавки должна строго выдерживаться оптимальная толщина гарнисажа δ (50 - 60 мм в донной части, 12 – 16 мм на стенках). В случае ее уменьшения жидкий металл насыщается углеродом. Увеличение толщины приведет к уменьшению массы готового сплава и к снижению его температуры. Толщина гарнисажа регулируется мощностью электрической дуги и интенсивностью теплоотвода.
Отходы собственного производства перед загрузкой в тигель подвергаются механической и химической очистке. Механическая очистка производится в галтовочных барабанах, дробеструйных или дробеметных барабанах. С поверхности отходов может быть удалено до 0,1 мм поверхностного слоя. После этого отходы обрабатываются в горячих (130 – 145 оС) щелочных растворах состава, г/л: 600 – 650 NaOH, 200 – 250 NaN03 и 50 – 60 NaNO2, или 500 – 700 NaOH и 150 - 250 NaN03. Время обработки может доходить до 2 часов. Затем отходы промывают теплой и холодной водой и травят при комнатной температуре в кислотном растворе: 60 – 70 мл/л H2SO4 и 60 – 140 мл/л HF. Скорость травления 0,2 – 0,5 мм/ч. Очищенные отходы промывают холодной водой и сушат при 110 – 150 оС.
Некондиционные отходы (сплески, заливы, гарнисаж тиглей, литники с засорами) могут быть использованы при производстве ферротитана или для изготовления таких деталей и изделий, к которым не предъявляются повышенные требования по коррозионной стойкости и механическим свойствам.
Перед загрузкой отходов рабочее пространство печи очищается от пыли и других загрязнений при помощи пылесоса и протирается спиртом. После загрузки отходов печь герметизируется, электрод приваривается к огарку (остатку электрода предыдущей плавки) и начинается плавка.
Давление в камере плавильно-заливочной установки должно составлять 0,13 – 1,33 Па. Для создания вакуума используют мощные вакуумные системы, которые поддерживают в камере заданное разрежение