25

Оглавление

Введение………………………………………………………………………...…4

1 Расчет шихты для выплавки слитков первичных титановых сплавов с вовлечением в шихту отходов……………………………………………………7

1.1 Характеристика шихты для выплавки слитков первичных титановых сплавов……………………………………………………………………………..7

1.2 Определение допустимого содержания кислорода в отходах, вовлекаемых в шихту…………………………………………………………………………...12

1.3 Определение необходимой твердости губчатого титана при введении в шихту отходов…………………………………………………………………....15

1.4 Определение максимальной доли вовлекаемых в шихту отходов……….18

2 Расчетное задание……………………………………………………………...22

ВВЕДЕНИЕ

В связи с интенсивным взаимодействием расплавленного титана с кислородом и азотом воздуха технология плавки титана может быть только как процесс вакуумный (или в среде чистых инертных газов). Первоначально предполагалось, что наиболее приемлемой окажется вакуумная индукционная плавка в графитовом или керамическом тигле. Но от индукционной плавки пришлось отказаться, так как при применении графитового тигля металл загрязнялся углеродом, а при применении тигля из тугоплавких оксидов - кислородом, в результате чего недопустимо снижалась пластичность титана.

Вторым этапом была дуговая плавка титана в металлической водоохлаждаемой форме (изложнице). Однако дуговая плавка в атмосфере аргона или в вакууме с нерасходуемым вольфрамовым электродом тоже оказалась непригодной, так как не удалось предотвратить разрушение электрода и загрязнение металла частицами вольфрама или тугоплавкого сплава W-Ti, происходящее вследствие попадания брызг расплавленного титана на электрод. Частицы вольфрама не растворялись в титане, что приводило к появлению дефектов в готовых изделиях. Лучшие результаты были достигнуты при плавке с нерасходуемым графитовым электродом, но в этом случае наблюдалось общее повышение содержания углерода в металле.

Наиболее удачным с точки зрения качества металла оказалось применение расходуемого электрода, расплавляемого дугой непосредственно в металлической форме. Опробованные технологические варианты процесса отличались способами изготовления электрода и дополнительного введения шихты при плавке, конструкцией печи и атмосферой (вакуум или инертный газ) в печи, типом и устройством кристаллизатора. Но для всех вариантов характерными были два общих признака: во-первых, исключение возможности загрязнения металла материалом формы (тигля) и электрода и, во-вторых, одновременность и непрерывность процесса плавки и затвердевания слитка. Эти признаки и определили третий этап развития технологии плавки титана, который до настоящего времени остается основным в производстве слитков. Наиболее распространенная технология включает порционное легирование и прессование электродов большой длины из губки, отходов и легирующих компонентов; вакуумную дуговую плавку электрода в водоохлаждаемом кристаллизаторе и вторую плавку полученного слитка в кристаллизаторе большего диаметра в вакууме или среде инертных газов. Для чистого технического титана иногда ограничиваются однократной плавкой, обеспечивающей в нелегированном титане достаточную однородность слитка по содержанию примесей.

Благодаря совершенствованию технологии плавки, что привело к улучшению состава, структуры и свойств слитков, среднее содержание кислорода в сплавах понижено до 0,10%, а азота до 0,03%; в высокопрочных сплавах, где снижение содержания газовых примесей дает особо значительный эффект, средние значения содержания кислорода и азота равны соответственно 0,08 и 0,02%. Содержание водорода в сплавах без вакуумного отжига полуфабрикатов находится в пределах 0,010%, а после вакуумного отжига 0,003%. В дальнейшем основная задача сведется к поддержанию достигнутого уровня содержания примесей и его регулированию при повышении доли вводимых отходов и лишь для некоторых высоколегированных сплавов ответственного назначения - дальнейшему повышению чистоты по газовым примесям. Для других сплавов, возможно, наоборот, некоторое повышение содержания кислорода и других примесей с целью увеличения доли вовлекаемых в шихту отходов. Однако, во всех случаях для повышения стабильности свойств полуфабрикатов целесообразно устанавливать достаточно жесткие допуски на отклонение в содержании примесей в отдельных плавках от среднего номинального значения.

При производстве слитков, полуфабрикатов и изготовлении изделий из титановых сплавов образуется значительное количество металлических отходов. Средний выход годного на переделе шахта-изделие невелик и составляет 20...25%, причем этот уровень многие годы сохраняется практически неизменным несмотря на улучшение технологии производства слитков и полуфабрикатов (и, следовательно, увеличение выхода годного). Это постоянство объясняется тем, что, с другой стороны, из титановых сплавов изготавливаются все более сложные и ответственные детали и изделия, что сопровождается увеличением количества образующихся отходов.

Таким образом, при изготовлении изделий из титановых сплавов 15...80% металла переходит в отходы. Если общее количество образующихся отходов принять за 100%, то на долю кусковых отходов приходится - 25%, листовой обрези - 20...30% и стружки -45...55%.

Наиболее эффективным способом использования кусковых отходов и листовой обрези является вовлечение их в шихту для выплавки слитков серийных (первичных) титановых сплавов, что позволяет существенно расширить сырьевую базу для производства слитков и снизить себестоимость продукции из титана и его сплавов. Однако использование титановых отходов в шихте осложняется тем, что они имеют повышенное содержание примесей внедрения из-за способности титана активно и технологически необратимо поглощать газы при нагреве до высоких температур. Методы раскисления титановых сплавов при плавке не разработаны, поэтому, если в шихту бесконтрольно вводить загрязненные газовыми примесями отходы и применять при этом губчатый титан, в свою очередь содержащий определенное количество примесей внедрения, то это приведет к накоплению примесей в слитках, большим различиям в химическом составе и свойствах по отдельным плавкам и, в итоге, к резкому снижению качества металла.

Это обстоятельство вызывает необходимость такого расчета шихты, который обеспечивал бы получение титановых сплавов с высокими и практически одинаковыми свойствами (то есть с регламентированным содержанием примесей) при использовании в шихте отходов различного качества и в различном количестве.

1 Расчет шихты для выплавки слитков первичных титановых сплавов с вовлечением в шихту отходов

1.1 Характеристика шихты для выплавки слитков первичных титановых сплавов

Шихтовыми материалами для выплавки слитков титановых сплавов являются губчатый титан, легирующие элементы в виде чистых металлов или лигатур и отходы титановых сплавов (кусковые, листовая обрезь, стружка).

Основным компонентом шихты является губчатый титан. Для выплавки серийных сплавов применяется губка марок ТГ-90, ТТ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130 и ТГ-150 (цифры в марке губки обозначают твердость по Бринеллю выплавленного из нее образца). Таким образом, основным критерием сортности губки является твердость, величина которой прямо пропорциональна содержанию в ней примесей. Чем выше твердость губчатого титана, тем больше в нем примесей, тем ниже его качество и качество выплавленного из него литого металла.

В качестве легирующих элементов в титановых сплавах используют алюминий (альфа-стабилизатор), марганец, молибден, ванадий, хром, кремний, железо (бета-стабилизаторы), цирконий и олово (нейтральные упрочнители). Легирование обеспечивает титановым сплавам более высокую прочность (без снижения пластических характеристик), жаропрочность и жаростойкость, коррозионную стойкость и другие специальные свойства в зависимости от системы легирования сплава.

Шихтовка титановых сплавов на чистых сырьевых материалах относительно проста. Кроме губчатого титана, вводят легирующие элементы по расчету на заданные пределы по химическому составу. Губку подбирают такой, чтобы получилась требуемая прочность сплава с учетом упрочнения за счет легирования и повышения содержания газов при плавке.

Третьим компонентом шихты являются отходы. Однако не любые отходы могут быть вовлечены в шихту для выплавки слитков, а только качественные. Качество отходов определяется степенью их загрязнения примесями внедрения, в первую очередь кислородом.

Понятие качества положено в основу классификации титановых отходов, которые условно подразделяют на кондиционные и некондиционные. К кондиционным относят отходы, которые после соответствующей подготовки (или без нее) могут быть использованы в шихте для выплавки слитков титановых сплавов. К некондиционным относят отходы, которые загрязнены кислородом по всему сечению или большей его части, а также смешанные по маркам сплавов отходы. При существующих методах подготовки отходов к плавке некондиционные отходы не могут быть переплавлены в металл, соответствующий требованиям, предъявляемым ГОСТ к серийным титановым сплавам. В настоящее время кондиционные отходы составляют 60...65% от общей массы образующихся отходов. Совершенствование технологий плавки и обработки титана позволит использовать в шихте отходы, ранее считавшиеся некондиционными. Большие резервы в увеличении выхода кондици­онных титановых отходов имеются также в упорядочении системы сбора, хранения и транспортировки отходов.

В соответствии с ГОСТ 1639-93 "Лом и отходы цветных металлов и сплавов" отходы титана и титановых сплавов по физическим признакам делятся на 4 класса: А - лом и кусковые отходы, Б - стружка, 3 - листовая обрезь, Г - прочие отходы. Классы, в зависимости от химического состава, разделены на группы: I - титан чистый (нелегированный), II - сплавы титановые, легированные любыми компонентами, кроме олова, III - сплавы титановые, легированные оловом, а группы, по показателям качества, на сорта (табл. 1).

Таблица 1

Класс	Наименование классов	Группа	Наименование группы	Сорт	Примечание
А	Лом и кусковые отходы титана и титановых сплавов	I	Титан чистый нелегированный	1 1а 2 3 4	1.В ломе и кусковых отходах сортов 1, 1а, 2 не допускаются масла, эмульсии, посторонние предметы, технологические смазки, отходы черных и цветных металлов, нетитановые приделки. 2.Пресс-остатки от прессования, полученные при изготовлении полуфабрикатов из заготовок, нагретых в хлорбариевых ваннах, или с применением смазок, собирают и заготовляют по соглашению с потребителем.
		II	Сплавы титановые легированные компонентами, кроме олова	1 1а 2 3 4
		III	Сплавы титановые легированные оловом	1 1а 2 3 4
Б	Стружка титана и титановых сплавов	I, II, III	---------	1 1а 2 3	Стружка не должна быть загрязнена маслом, эмульсиями, посторонними предметами, отходами черных и цветных металлов
З	Листовая обрезь титана и титановых сплавов	I, II, III	----------------	1 2 2а 2б 3 4	В листовой обрези, высечке, решетке, плитах не допускаются масло, эмульсия, посторонние предметы, отходы черных и цветных металлов
Г	Шлаки и другие отходы титана и титановых сплавов	-----	----------------	3	В отходах класса Г допускается наличие отдельных отходов других классов.Характеристика: шлаки от огневой разделки продукции производства и потребления, отходы, получаемые при плавке, резке, зачистке полуфабрикатов,окалина, «короны» литейного про-ства,отсевы стружки

Для металлургических предприятий, изготавливающих слитки титановых сплавов, обрабатываемых давлением, могут быть предназначены для использования в шихте следующие отходы:

класс А - группы I, II, III - сорта 1, 1а, 2, 3;

класс Б - группы I, И, III - сорта 1,1а;

класс З - группы I, Н, III - сорта 1,2, 2а, 2б, 3.

Таким образом, отходы, отвечающие требованиям вышеуказанных классов, групп и сортов, являются кондиционными. В этом моменте происходит стыковка двух систем классификации титановых отходов: качественной (на кондиционные и некондиционные) и количественной (по ГОСТ 1639- 93).

Шихтовка сплавов при использовании отходов более сложна. При постоянном введении в шихту некоторой доли отходов растет содержание кислорода в слитках, что приводит к повышению прочности сплава. Вопросы повышения содержания примесей в слитках при вовлечении отходов различных видов и система расчета шихты рассматриваются ниже.

На практике за критерий качества укрупненных видов отходов удобно принимать упрочнение сплавов, обусловленное использованием в шихте отходов с повышенным содержанием кислорода, поскольку предел прочности титана и его сплавов линейно связан с содержанием в них кислорода в интервале его концентрации 0, 05... 0, 35%.

За коэффициент упрочнения К для данного вида отходов численно принимается разница величин (взятая с обратным знаком) пределов прочности исходного слитка, выплавленного из шихты, не содержащей отходы (т.н. основной металл), и слитка, выплавленного только из этого вида отходов, образованных от исходного слитка (рис. 1)

Губчатый титан

Слиток основного металла (ОМ)

отходы

Слиток из отходов (СО)

Рисунок 1. Схема переработки металла

(1)

где - предел прочности основного металла;

- предел прочности металла, выплавленного из отходов.

По классам отходов усредненные значения коэффициентов упрочне­ния равны, МПа (кгс/мм²) [3,4]:

стружка 196 (20)

листовая обрезь 98 (10)

кусковые отходы галтованные (размер 60x60x60 мм) 78 (8)

кусковые отходы галтованные и травленные

(размер 150x100x100 мм) 59 (6)

По физической сущности значения коэффициентов упрочнения опрделяются содержанием в отходах кислорода, которое зависит от отношения площади поверхности к массе отходов. Так, наиболее загрязненной кислоро­дом является стружка из-за ее большой удельной поверхности, значительно меньше - листовая обрезь и менее всего - кусковые отходы.

Величину К расчетным путем можно определить по выражению:

(2)

где - предел прочности губчатого титана, используемого для выплавки слитков различных сплавов без добавления в шихту отходов, или, иными словами, марка губчатого титана, установленная технологическими инструкциями для выплавки каждого титанового сплава;

и - прирост концентрации кислорода в слитке за счет вво­димых в шихту отходов и переплава шихты соответственно.

Исходя из оптимальных свойств полуфабрикатов установлены следующие расчетные пределы прочности губки , применяемой для выплавки различных серийных сплавов, МПа (кгс/мм²) [3]: ВТЗ-1, ОТ4, ВТ5 - 471(48); ВТ5-1-452(46); ВТ1-1, ОТ4-1, ВТ6 - 432(44); ВТ8 - 422(43); ВТ14 - 392(40).

Хотя приведенные значения коэффициентов упрочнения являются приближенными, тем не менее они успешно используются для расчетов шихты с вовлечением в нее отходов.