11. Плавка сплавов тугоплавких металлов

К наиболее распространенным тугоплавким металлам относятся титан, ванадий, хром, вольфрам, молибден, рений, ниобий, цирконий, тантал и др. Их используют как в чистом виде, так и в виде сплавов. Особое место из них занимает легкий титан, который благодаря малой плотности получил широкое применение в современной технике. Особенности плавки титановых сплавов подробно рассмотрены в главе 5. В данном разделе описаны процессы плавки некоторых других тугоплавких металлов и сплавов, а именно циркониевых, ниобиевых и молибденовых сплавов.

11.1. Особенности плавки тугоплавких металлов

Все тугоплавкие металлы отличаются высокой химической активностью, особенно в расплавленном состоянии. Они активно взаимодействуют с кислородом, азотом, водородом и углеродом. При загрязнении этими примесями резко снижается пластичность тугоплавких металлов. Для защиты сплавов от насыщения вредными примесями из газовой атмосферы нагрев и плавку ведут в вакууме или в среде защитных газов в вакуумных дуговых (ВДП) или электронно-лучевых печах (ЭЛП).

11.1.1. Вакуумнодуговая плавка

Вакуумные дуговые печи являются основными плавильными агрегатами при производстве фасонных отливок из титановых сплавов, а также широко используются для плавки тугоплавких металлов, молибдена, ниобия. ВДП для тугоплавких металлов по своей принципиальной схеме не отличаются от аналогичных печей для плавки титановых сплавов, которые рассмотрены ранее.

Вакуумные дуговые гарнисажные печи применяют при производстве фасонных отливок. Для плавки и литья слитков используют ВДП с глухим кристаллизатором (рис. 43.), в который постепенно наплавляется слиток, или ВДП с проходным кристаллизатором для вытягивания из него выплавляемого слитка (рис. 44).

При гарнисажной плавке тугоплавких металлов применяют графитовые или металлические (медные) водоохлаждаемые тигли.

Степень очистки металла от примесей при плавке в ЭДП ниже, чем при электронно-лучевой плавке.

Рис. 43. Вакуумная дуговая печь с глухим кристаллизатором: 1 – электрододержатели, 2 – ходовые винты, 3 – гибкие кабели, 4 – шток электрододержателя, 5 – механизм перемещения элетрода, 6 – вакуумная камера, 7 - патрубок для присоединения насосов, 8 – расходуемый электрод, 9 – кристаллизатор, 10 – водоохлаждаемая рубашка, 11 - соленоид для перемешивания расплава, 12 – слиток, 13 - поддон

Рис. 44. Вакуумная дуговая печь с вытягиванием слитка: 1 – механизм перемещения электрода 2 – электрододержатель, 3 – расходуемый электрод, 4 – вакуумная камера, 5 – патрубок для присоединения насосов, 6 – кристаллизатор, 7 – соленоид для перемешивания расплава, 8 – камера охлаждения слитка, 9 – механизм вытягивания слитка

11.1.2. Электронно-лучевая плавка

Электронно-лучевой нагрев происходит в результате превращения кинетической энергии электронов, разогнанных в электрическом поле до высоких скоростей (50 – 60 тыс. км/с), в тепловую энергию при их торможении о поверхность металла. Поток электронов создается специальными устройствами, называющимися электронными пушками. В электронных пушках происходит испускание, ускорение и фокусирование электронов в плотный пучок, называемый электронным лучом. При столкновении электронного луча с частицами газов происходит заметная потеря мощности. В связи с этим электронный нагрев целесообразно вести в вакууме с остаточным давлением менее 0,05 Па.

Существует несколько схем электронно-лучевой плавки, которые приведены на рис. 45 и 46. В печах, изображенных на рис. 45, переплавляется заготовка, полученная в другом металлургическом агрегате при помощи одной или нескольких электронных пушек. В печах, работающих по другой схеме можно переплавлять сыпучую шихту, например, измельченные кусковые отходы.

Рис.45. Схемы электронно-лучевой плавки с боковой (а) и вертикальной (б) подачей заготовки:

1 – электронная пушка, 2 – электронный луч, 3 – переплавляемая заготовка, 4 – водоохлаждаемый кристаллизатор, 5 - слиток

Рис. 46. Схемы электронно-лучевой плавки с подачей сыпучей шихты шнеком (а) и вибрационным лотком (б):

1 – электронная пушка, 2 – электронный луч, 3 – переплавляемая шихта, 4 – Вращающаяся трубчатая направляющая, 5 – контейнер со шнеком, 6 – бункер, 7 – вибрационный лоток 8 –кристаллизатор, 9 - слиток

В современных ЭЛП получают слитки круглого, квадратного или прямоугольных сечений или фасонные отливки. Схема ЭЛП ПЭЛ-1000 для выплавки слитков длиной до 3 м приведена на рис. 47.