8.3. Вакуумные дуговые печи. Понятие о гарниссажной плавке.
Тугоплавкие металлы и, в частности титан, имеют в жидком состоянии чрезвычайно высокую химическую активность. Они реагируют с кислородом, азотом, водородом, вступают во взаимодействие с различными оксидами, образующими огнеупорные материалы, и восстанавливают их. Кроме того, расплав титана растворяет углерод графитового тигля, что приводит к резкому снижению пластичности сплавов. Поэтому титан нельзя плавить в печах, футерованных обычными огнеупорами. Для выплавки качественных титановых сплавов необходимо исключить взаимодействие металла с футеровкой и газовой фазой. Поэтому плавку ведут в вакуумных гарниcсажных дуговых печах с расходуемым электродом (рис. 8.18.).
Титан относится к лёгким (ρ=4,5кг/дм3) тугоплавким металлам tпл.=1668оС. Теплопроводность расплава титана в ~20 раз меньше, чем меди. Удельное электрическое сопротивление –0,61.10-6 Ом.м. Удельная теплота кристаллизации титана составляет 419 кДж/кг, что в 1,6 раза больше, чем стали.
В вакуумной камере -3 расположен медный водоохлаждаемый тигель –5, расходуемый электрод –2 и литейные формы -9. Расходуемый электрод представляет собой шихтовой слиток титана или пруток, спрессованный из титанового порошка. После вакуумирования печи зажигают электрическую дугу между электродом и дном тигля и прогревают тигель и электрод на малой мощности. При повышении мощности до рабочих её значений происходит плавление расходуемого электрода, расплавленный металл постепенно заполняет тигель. По мере оплавления расходуемого электрода он автоматически опускается вниз электрододержателем -1. В связи с высокой теплопроводностью медного водоохлаждаемого тигля на его стенках образуется слой затвердевшего расплава толщиной 10…15 мм, который является своего рода футеровкой и называется гарниcсажем -4.
Рис. 8.18. Схема вакуумной дуговой печи с расходуемым электродом для плавки титановых сплавов. 1 –электрододержатель,2 -расходуемый электрод, 3 –вакуумная камера, 4 –гарниcсаж, 5 –медный водоохлаждаемый тигель, 6 –шланг подачи воды, 7 –токоподвод к тиглю, 8 –смотровое окошко, 9 –литейные формы.
Толщина слоя гарниссажа зависит от соотношения мощности, выделяемой дугой и количеством тепла, отводимым от расплава через гарниссаж и тигель охлаждающей водой. При небольшой мощности увеличивается толщина гарниссажа и объём расплавленного металла уменьшается. Чрезмерная мощность дуги может привести к локальному расплавлению гарниссажа и медного тигля. В современных плавильных установках изменение мощности дуги в процессе плавки происходит по заранее разработанной программе, реализуемой с помощью компьютера.
Для низколегированных марок ВТ5Л, ВТ6Л и др., положительные результаты даёт модифицирование бором или карбидом бора в количестве 0,007…0,01%. Если для плавки используют слиток заданного состава, то в слитке высверливают отверстие и в него закладывают модификатор. Отверстие затем заделывают титановой пробкой, чтобы модификатор не выпал раньше времени. Место расположения модификатора выбирают таким образом, чтобы модификатор попал в ванну жидкого металла за 40… 60 секунд до окончания плавки. Общее время от введения модификатора до начала затвердевания отливки не должно превышать 150 …180с. Для наблюдения за ходом плавки предусмотрено окошко - 8. Готовый металл заливают в формы при повороте печи.