Ресурсосберегающая технология получения слитков титана на установке электронно-лучевого переплава с промежуточной емкостью

Титан — прочный, легкий, гибкий металл, имеющий самый большой показатель отношения предела прочности к весу из всех конструкционных ма-т териалов. Он обладает высоким сопротивлением коррозиии эрозии: Эти свойства делают возможным использование титана в широком диапазоне областей применения от турбинных двигателей до человеческих имплантатов: Однако при таких уникальных свойствах мировой рынок металлического титана составляет всего 75 000 т/год (примерно 3% от потребления исходных материалов титана) [1]'. Главная причина—высокая стоимость металлического титана (он в 1000 раз дороже стали и в 200 раз дороже алюминия) — Основная область применения металлического титана -— авиакосмическая промышленность, в которой спрос циклический и непостоянный.

Одна из причин высокой стоимости металлического титана — сложная технология его производства. Шихта из титанового сырья (рутил или титановый шлак) и кокса обрабатывается газообразным хлором для > получения' промежуточного продукта — тетрахлорида титана, который с помощью известных методов переводится в титановую губку [2].

Самый распространенный метод получения легированного и нелегированного металлического титана из губки — вакуумно-дуговой переплав (ВДГІ):. Этот процесс был разработан еще в 50-е годы прошлого века: и остается важной составляющейтехнологиипроизводстватитана. Данная, технология является многостадийной. Титановая губка дробится и измельчается вместе с легирующими добавками (алюминий, ванадий, молибден, олово, цирконий), затем прессуется в брикеты, которые свариваются, чтобы получить электрод. Далее электрод расплавляется в ВДП. Так, например, для получения качественного слитка. марки ВТГ-00 необходимо несколько переплат вов.,.

В качестве альтернативы ВДП дляполучения титана и его сплавов можно использовать электронно-лучевую плавку (ЭЛП). В перспективе производство титана и его сплавов в ЭЛП позволит получать слитки за один передел за счет более глубокого вакуума и гибкого управления температурой металла.

В последнее время появилась электронно-лучевая плавка с промежуточной емкостью (ЭЛЛЕ). Которая позволяет создавать благоприятные условия для рафинирования от неметаллических включений и усреднения химического состава и исключить взаимосвязь между плавлением и кристаллизацией жидкого металла. Кроме того, ЭЛЛЕ пространственно разделяет эти два процесса, позволяя раздельно управлять ими. В России располагается одна из крупнейших в мире электронно-лучевых печей с промежуточной емкостью (ЭЛП-30 — отечественное обозначениеЭМО-ЗО — западное обозначение), которая работает на предприятии ОАО «ОРМЕТО ЮУМЗ» (г. Орск).

Применение промежуточной емкости в электронно-лучевом переплаве решает ряд важнейших технологических проблем (по сравнению с ЭЛЛ и с ВДП), обладая возможностью: полностью исключить попадание в готовый слиток из шихты не расплавляемых тяжелых металлов и различных включенийвыплавлять слитки и заготовки с сечением любого профиляиспользования различных видов шихты, в том числе и отходов титановой промышленности;

раздельного управления процессами плавления, рафинирования и кристаллизации.

Однако при всех имеющихся достоинствах ЭЛЛЕ существует и ряд нерешенных проблем, например, распределение мощности между переплавляемой заготовкой, промежуточной емкостью (ПЕ) и кристаллизаторомпрактическая реализация использования различных видов шихты и легирования титана.

Технология получения титановых слитков на ЭЛП-30 была разработана более 25 лет назад и долгое время оставалась без существенных изменений. В настоящее время, технико-экономическая эффективность получения слитков титана на данной установке ниже, чем на ВДП. С учетом этого совершенствование технологии электронно-лучевой плавки титана с использованием промежуточной емкости для выявления существующих резервов является актуальной задачей.

С учетом этого совершенствование технологии электронно-лучевой плавки с использованием промежуточной емкости для получения титановых слитков является актуальным.

Цель работы. Выявление резервов ресурсосбережения при производстве титановых слитков крупной промышленной электронно-лучевой печи с промежуточной емкостью.

Основные задачи исследования.

1. Создать модель воздействия электронного луча на поверхность промежуточной емкости при разной схеме развертки-луча и выбрать рациональную, позволяющую усовершенствовать ее тепловую работу. Создать модели распределения температуры в расплаве и процесса его рафинирования в промежуточной емкости установки ЭЛП-30. Провести анализ теплового, состояния и кинетики удаления растворенных газов, а также металлических примесей от технологических параметров.

2. Разработать и обосновать новые технические решения: для получения легированных титановых слитковдля выплавки слитков из шихты с повышенной долей отходовдля получения крупных слитков.

3. Провести промышленную проверку новых технологических решений по совершенствованию технологии выплавки крупных качественных слитков титана и получения слитков из шихты с повышенным содержанием отходов. Провести сравнительный расчет себестоимости продукции, получаемой в ЭЛП-30 при переходе на производство более крупных слитков, а также при использовании в шихте большой доли титановых отходов.

Научная новизна работы заключается в следующем: показано, что вид развертки электронного луча по поверхности ванны промежуточной емкости оказывает существенное влияние на скорость нагрева металла и на процесс его рафинированияустановлено, что для усреднения импульсного воздействия теплового потока на обрабатываемый материал периоды разверток электронного луча по длине и ширине поверхности промежуточной емкости должны отличаться не менее чем в 10 развыявлено, что наиболее рационально использовать линейно-гармоническую развертку электронного пучка по поверхности промежуточной емкостисоздана математическая модель теплового и гидродинамического состояния расплава в промежуточной емкости электронно-лучевой печи, позволяющая прогнозировать время обработки металла и его тепловое состояние.

Практическая значимость работы состоит в том, что в ходе промышленных исследований на установке ЭЛП-30: предложены новые параметры развертки электронного луча по поверхности ванны промежуточной емкости для повышения эффективности рафинирования расплаваустановлена возможность получения крупных слитков массой 8 тпредложены изменения по совершенствованию технологии введения легирующих добавокусовершенствована технология получения слитков с использованием шихты содержащей до 60% отходов титановой промышленности. Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается проведением экспериментов на промышленных установках, использованием стандартных методик измерения, проводимых посредством поверенных приборов. Созданные математические детерминированные модели базируются на фундаментальных законах сохранения массы, энергии, импульса.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях: «Современные проблемы электрометаллургии» (Челябинск, 2001) — «Специальная металлургия: вчера, сегодня, завтра» (Киев, 2002) — «Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее» (Москва, 2006) — «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и сплавов» (Орск, 2008). На Всероссийских конференциях: «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Орск, 2000) — «Современные технологии в машиностроении» (Пенза 2001).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей (в том числе 2 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК). Результаты исследований защищены патентом РФ на изобретение и патентом РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Она изложена на 134 страницах машинописного текста, включая 45 рисунков, 25 таблиц, 84 источника литературы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика расчета распределения среднего локального теплового потока, падающего на прямоугольную поверхность промежуточной емкости, в зависимости от мощности электронного пучка и заданных периодических функций его параметрической развертки.

2. Установлено, что для нагрева всей поверхности промежуточной емкости и усреднения импульсного воздействия теплового потока на обрабатываемый материал необходимо, чтобы периоды горизонтальной и вертикальной разверток электронного пучка отличались более чем в> 10 раз, при этом максимальная частота развертки по поверхности должна быть не менее 100 Гц. Показано, что для практического использования наиболее целесообразным является, применение линейно-гармонической' развертки электронного пучка по поверхности промежуточной емкости.

3. Предложена математическая" модель теплового и гидродинамического состояния расплава в промежуточной емкости электронно-лучевой печи, базирующаяся на решении нестационарной задачи переноса тепла в металле, позволяющая прогнозировать температуру расплава в процессе его рафинирования. Показано, что средняя температура обрабатываемого материала зависит от мощности луча и времени нахождения-расплава в промежуточной емкости. Установлено, что-для повышения температуры расплава в промежуточной емкости при его рафинировании мощность луча должна быть не менее 400 кВт.

4. Предложена математическая модель процессов-рафинирования титана в промежуточной емкости от газов и металлических примесей. Установлено, что, меняя мощность электронного луча, можно управлять процессом рафинирования в промежуточной емкости. Так при мощности 400 кВт содержание водорода снижается в 1,3 раза, а при 500 кВт — 2,2 раза.

5. Усовершенствован способ подачи шихты, содержащей до 60% отходов титановой промышленности, в ЭЛП-30 и предложена схема введения легирующих элементов в электронно-лучевую печь для получения круглых слитков диаметра 825 мм сплава титана Ть6А1−4У в электронно-лучевой печи с промежуточной емкостью.

6. Разработана схема получения крупных титановых слитков массой 8 т марки ВТ 1−0 в печи ЭЛП-30 и схема получения высококачественных слитков титана марки ВТ 1−00 за один передел из отходов титановой промышленности.

7. Рассчитан экономический эффект при переходе на производство крупных слитков (с 3 т на 8 т) и вовлечении в шихту большой доли отходов титановой промышленности (с 25% на 60%). Это дало снижение себестоимости продукции на 3%.