Влияние примесей на титановые сплавы
Кислород и азот, образующие с титаном сплавы типа твердых растворов внедрения и металлидные фазы, существенно снижают пластичность титана и являются вредными примесями. Кроме азота и кислорода, к числу вредных для пластичности титана примесей следует отнести также углерод, железо и кремний.
Из перечисленных примесей азот, кислород и углерод повышают температуру аллотропического превращения титана, а железо и кремний понижают ее. Результирующее влияние примесей выражается в том, что технический титан претерпевает аллотропическое превращение не при постоянной температуре (882° С), а на протяжении некоторого температурного интервала, например 865 — 920° С (при содержании кислорода и азота в сумме не более 0,15%).
Подразделение исходного губчатого титана на сорта, различающиеся по твердости, основано на разном содержании указанных примесей. Влияние этих примесей на свойства изготовляемых из титана сплавов столь значительно, что должно специально учитываться при расчете шихты, чтобы получить механические свойства в нужных пределах.
С точки зрения обеспечения максимальной жаропрочности и термической стабильности титановых сплавов все эти примеси, за исключением, вероятно, кремния, должны считаться вредными и содержание их желательно свести к минимуму. Дополнительное упрочнение, даваемое примесями, совершенно не оправдывается из-за резкого снижения термической стабильности, сопротивления ползучести и ударной вязкости. Чем более легированным и жаропрочным должен быть сплав, тем ниже должно быть в нем содержание примесей, образующих с титаном твердые растворы типа внедрения (кислород, азот).
При рассмотрении титана как основы для создания жаропрочных сплавов необходимо учитывать возрастание химической активности этого металла по отношению к атмосферным газам и водороду. В случае активированной поверхности титан способен поглощать водород при комнатной температуре, а при 300° С скорость поглощения водорода титаном очень высока. Окисная пленка, всегда имеющаяся на поверхности титана, надежно защищает металл от проникновения водорода. В случае наводороживания титановых изделий при неправильном травлении водород можно удалить из металла вакуумным отжигом. При температуре выше 600° С титан заметно взаимодействует с кислородом, а выше 700° С — с азотом.
К возможности безопасной эксплуатации титана в автоклавном оборудовании, работающем с газообразным кислородом
- © В.И. Болобов, 2022
УДК 669.295:620. 193:669.243 В.И. Бопобов
К ВОЗМОЖНОСТИ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТИТАНА В АВТОКЛАВНОМ ОБОРУДОВАНИИ, РАБОТАЮЩЕМ С ГАЗООБРАЗНЫМ КИСЛОРОДОМ
Отмечено, что широкому использованию титана в автоклавном оборудовании цветной металлургии препятствует негативная особенность титановых сплавов самовозгораться в используемых кислородсодержащих средах при давлениях О2 выше критических Р*. Приведены основные положения теории возгорания металлов, основывающиеся на утверждении о разогреве фрагментов конструкций до температуры Т* за счет работы разрушения. Установлена корреляция между рассчитанными значениями Т* и экспериментально установленными величинами Р* титановых а-сплавов в О2: с увеличением температуры Т* (с 682 до 770 К), определяемой прочностными свойствами материала, критическое давление возгорания сплава Р* монотонно убывает (с 2,9 до 0,7 МПа), что объясняет отмеченное в литературе влияние на величину Р* состава сплава. Показано, что уникальная способность титана к возгоранию при разрушении в кислороде объясняется значительно большей, чем у других материалов скоростью взаимодействия О2 с ювенильной поверхностью металла, а так же аномально высокими растворимостью кислорода в титане и сопутствующим этому тепловому эффекту.
Ключевые слова: автоклавное оборудование, газообразный кислород, титан, возгорание при разрушении, критические значения давления и температуры.
В силу своей доступности и высокой окислительной способности газообразный кислород нашел широкое применение в автоклавных процессах при переработке руд цветных и благородных металлов: никель-пирротиновых, сульфидных никель-кобальтовых, кобальт-мышьяковистых концентратов и др [1]. Для повышения скорости и более полного окисления реагентов эти процессы проводят при повышенных температурах и максимально возможном давлении кислорода
или кислород-воздушной смеси (КВС), что выдвигает повышенные требования к химической стойкости и прочностным свойствам используемых конструкционных материалов реакторного оборудования, в наибольшей степени которым удовлетворяют титан и сплавы на его основе. Однако, при всех своих положительных качествах, титановые сплавы обладают одной важной негативной особенностью, препятствующей их широкому применению в автоклавных процессах, проводимых с использованием кислорода. Она заключается в потенциальной угрозе выхода титанового оборудования из строя, вследствие аномальной способности титана и его сплавов в определенных условиях самовозгораться в кислородсодержащей среде [1-4].
К настоящему времени работами отечественных и зарубежных ученых установлено, что самовозгорание титана и его сплавов в кислороде может произойти только при разрушении металла, пусть даже в самом поверхностном слое, с появлением ювенильной (свежеобразованной) металлической поверхности. При этом для возгорания того или иного сплава требуется свое, определенное минимальное давление кислорода — критическое давление возгорания Р*. Поскольку при работе автоклавов, особенно с движущимися частями, нельзя полностью исключить возможность появления такой поверхности (например, в результате трения или задира), угроза самовозгорания оборудования из титана и его сплавов может быть исключена только при понимании механизма процесса возгорания металлов при разрушении и влияния на его критические параметры различных факторов.
Ниже приводятся некоторые положения теории [5, 6] возгорания металлов при разрушении с объяснением аномальной способности титана к самовозгоранию в кислороде и разработкой условий его безопасной эксплуатации.
При установлении возможного механизма самовозгорания руководствовались известным фактом [7], что при пластической деформации металлов, вне зависимости от вида воздействия, подавляющая часть работы (более 90%) переходит в тепло. Учитывая, что разрушение является завершающей стадией пластической деформации, считали, что указанное тепло выделяется в разрушаемом объеме и частично (или полностью) расходуется на нагрев фрагментов
разрушения. По этой причине при разрушении возгоранию подвергаются фрагменты, уже разогретые к моменту взаимодействия с кислородом до температуры Т*, представляющей собой сумму начальной температуры Т0 и разогрева ЛТ за счет тепла, выделившегося в разрушаемом объеме
Т* = То ЛТ. (1)
При этом, температура Т* есть критический параметр, характеризующий склонность металла к самовозгоранию, связанный с величиной другого критического параметра — давления возгорания Р*.
Анализировали разогрев ЛТ фрагментов разрушения титановых сплавов при разрыве образцов при растяжении. При этом количество тепла 0, выделяющееся при разрушении, приравнивали к работе разрушения Ар
£ = к Ар, (2)
где к — коэффициент, характеризующий долю работы Ар, перешедшей в тепло.
Работу Ар выражали в виде произведения разрушающей нагрузки Р на путь аЬ, на протяжении которого она совершается. При представлении разрушаемого объема в виде (где Р — площадь сечения образца в месте разрыва) удельная работа разрушения равна
Ар/У = Р-аЬ/МЬ = Р/Р = Бк, (3)
где Бк — истинное разрушающее напряжение.
Предполагали, что разрушение образца на завершающей стадии происходит практически мгновенно и отдельные фрагменты разрушения с затрудненным теплоотводом подвергаются за счет выделившегося тепла £ адиабатическому разогреву, величина которого с учетом (2,3) может быть рассчитана по формуле
ЛТ = кБк/р- с р, (4)
где р, с р — плотность и среднее значение теплоемкости разрушаемого металла в интервале температур Т0 — Т*.
Значения Бк рассчитывали по величинам св и у анализируемых сплавов.
Бк = ав-(0,8 2,06-у). (5)
Расчетные значения Бк, ЛТ, Т* титановых а-сплавов сопоставляли с экспериментально установленными значениями критического давления возгорания Р* сплавов в кислороде при различных температурах испытаний Т0, полученными автором при одноосном растяжении цилиндрических образцов до разрыва (табл.).
Марка сплава То,К Р*,М Па Ов, МПа вь МПа ЛТ, К Т*, К
ВТ1-0 473 2,9 250 0,73 576 209 682
ВТ1-0 293 2,3 470 0,73 1083 405 698
Т1-15Ег 293 1,6 540 0,65 1155 449 742
ОТ4-1 293 1,5 680 0,44 1160 442 735
ПТ17 293 1,1 925 0,26 1235 455 748
ПТ3В 293 0,9 770 0,41 1266 470 763
ОТ4-1 473 0,7 450 0,56 879 297 770
Как свидетельствуют результаты расчета, фрагменты разрушения образцов всех анализируемых сплавов способны подвергаться значительному саморазогреву (ЛТ до 470 К), величина которого индивидуальна для каждого сплава. Эти обстоятельства объясняют отмеченное в литературе влияние на величину Р* различных факторов, в частности, состава сплавов и скорости появления ювенильной поверхности.
Так из таблицы видно, что с увеличением температуры Т* (с 682 до 770 К), до которой способны саморазогреться фрагменты разрушения сплавов, давление кислорода Р*, необходимое для их возгорания, монотонно убывает (с 2,9 до 0,7 МПа). Для постоянной температуры испытаний (Т0 = 293 К) подобным образом с Р* коррелирует и величина разогрева образцов: с возрастанием ЛТ с 405 до 470 К давление возгорания сплавов убывает с 2,3 до 0,9 МПа. Поскольку значение ЛТ материалов определяется работой разрушения образца, а та, в свою очередь (4), величиной разрушающего напряжения, результаты таблицы свидетельствуют о существовании зависимости критического давления возгорания Р* от прочностных свойств сплава: чем выше напряжение, необходимое для разрушения образца, тем меньше давление кислорода, при котором воспламеняются фрагменты его разрушения. По этой при-
чине иодидный титан, характеризующийся наименьшей из титановых сплавов прочностью (Бк= 550 МПа при Т0 =293 К) и, как следствие, подвергающийся при разрушении наименьшему разогреву, отличается наивысшей стойкостью к самовозгоранию (Р*=7,5 МПа [8]). С введением в состав титана легирующих элементов, повышающих прочность материала, величина ЛТ фрагментов разрушения возрастает, что приводит к снижению давления кислорода, при котором эти фрагменты возгораются.
Экспериментально установленный факт влияния величины давления кислорода на склонность металлов к самовозгоранию указывает, по мнению автора, на то, что лимитирующей стадией взаимодействия в этом случае является химическая адсорбция кислорода на ювенильной поверхности образовавшихся фрагментов разрушения. Скорость взаимодействия пропорциональна для кислорода, как для двухатомного газа, УР и описывается для различных температур уравнением
^ = К (Р/Р0,1)0,5- ехр(-Е / ИТ), кг02/(м2 — с), (6)
дт 02
где К0, Е — предэкспонент и энергия активации уравнения Аррениуса скорости адсорбции 02 на ювенильной поверхности металла при давлении кислорода Р0,1= 0,1 МПа, а условия возгорания фрагментов определяются критическими условиями теории теплового взрыва Семенова-Франк-Каменецкого [9] для гетерогенной реакции
8 * = ^ (Р)» — е*Р(-Е / ) = 1. (7)
Р а Я-(Т) е
где £ — удельный тепловой эффект взаимодействия кислорода с металлом на ювенильной поверхности (принимался равным теплоте образования соответствующего оксида); а — суммарный коэффициент теплоотдачи от фрагмента разрушения; Р =
= Р*/ Рол-
Уравнение (7) после подстановки значений Р*, Т* из таблицы и а, £ из [10, 11] решали по методу наименьших квадратов, в результате чего были рассчитаны параметры уравнения Ар-рениуса для скорости адсорбции кислорода на ювенильной поверхности титановых а-сплавов при Р02 = 0,1 МПа: Е =
44,5±10,5 кДж/моль (10,6±2,5 ккал/моль), К0 = 8,3±1,6 кго2/м2/с2.
Из сопоставления полученных значений кинетических параметров с величинами Е, К0 других металлических материалов из [5, 6] можно заключить, что величина предъэкспонента К0 для титановых сплавов существенно выше, а энергия активации Е ниже, чем у остальных исследованных материалов, что обеспечивает при одной и той же температуре значительно большую скорость взаимодействия кислорода с ювенильной поверхностью титана. Так, например, при Т = Т*ВТ1-0 = 682 К величины дш/д титана и железа при РО2 = 0,1 МПа соответственно равны 1,2 10-3 и 5,5 10-5 кгО2/м2/с. Это обстоятельство, а также аномально высокие растворимость кислорода в титане (14,5% масс. по сравнению с 10-1 — 10-3% для других металлов) и сопутствующий этому тепловой эффект (в 6 раз превышающий значение Рдля железа), объясняют уникальную способность титана и его сплавов к возгоранию при разрушении в кислородсодержащей атмосфере.
В соответствии с разработанной теорией [5, 6] возможность возгорания титановых сплавов (как и других металлических материалов) в кислороде при разрушении определяется достижением критических условий, при которых каждому значению давления кислорода Р соответствует своя температура Т* фрагментов разрушения (вне зависимости от того, за счет чего достигнута Т*) и наоборот. В этой связи, для предотвращения возгорания титановых конструкций в условиях трения необходимо исключить ситуацию разогрева их трущихся частей до температуры Т*, соответствующей данному парциальному давлению кислорода, которую для того или другого парциального давления кислорода РО2 в смеси с азотом или парами воды можно рассчитать по формуле (8) из [12]
1,44• 10-9 •(7″)2 _ (О)05
5300 ^ 1 0,52 • Р0′
(8)
еХр |—7- | *2,Н20
где Т* — температура в К, Р0 , Рм Н^0 — парциальные давления реагентов в МПа.
Так, предельному значению парциальных давлений кислорода в кислород-воздушных смесях автоклавных процессов выщелачивания цветных металлов (1,0 МПа при предельном содержании 02 в смеси 23%) в соответствии с этой формулой отвечает критическая температура ювенильной поверхности Т* равная 793 К. Соответственно до этой температуры и недопустим разогрев потенциальных мест трения титановых элементов.
Необходимо подчеркнуть, что значения всех коэффициентов, входящих в уравнение (8), установлены в [12], исходя из значений критических параметров Т*, Р* различных произвольно взятых титановых сплавов, и являются, следовательно, для них всех общими. По этой причине можно предположить, что это уравнение является справедливым для всех титановых сплавов вне зависимости от их марки.
Таким образом, можно заключить, что исключение самовозгорания титановых сплавов в кислороде в автоклавах с перемешивающими устройствами может быть обеспечено разработкой технических мероприятий, предотвращающих разогрев потенциальных мест трения титановых конструкций до температуры самовозгорания Т* сплавов при данных парциальных давлениях газообразных реагентов.
— СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Набойченко С. С. Автоклавная гидрометаллургия цветных металлов / С.С.Набойченко, Ё.П.Ни, Я.М.Шнеерсон, ЛВ.Чугаев. Екатеринбург, 2002. 940 с.
2. Littman F.E., Church F.M., Kinderman E.M. A study of metal ignitions. The spontaneous ignition of titanium // J. Less-Common Metals, 1961, Vol. 3, р. 367-378.
3. Littman F.E., Church F.M., Kinderman E.M. A study of metal ignitions. The spontaneous ignition of zirconium // J. Less-Common Metals, 1961, Vol. 3, р. 378-397.
4. Barth T.R., Hair A.T.C., Meier T.P. (Hudson Bay Mining and Smelting Company, Ltd P.O. Box 1500, Flin Flon, Manitoba R8A 1N9). Zinc and Lead Processing The Metallurgical Society of CIM, 1998
5. Bolobov V.I., Podlevskikh N.A. Mechanism of metal ignition due to fracture. Combustion, Explosion, and Shock Waves. Vol. 43, No.4, pp. 405-413, 2007.
6. Bolobov V.I. Theory of Ignition of Metals at Fracture. Combustion, Explosion, and Shock Waves. Vol. 48, No.6, pp. 689-693, 2022.
7. Лариков Л. Н. Структура и свойства металлов и сплавов. Справочник. Тепловые свойства металлов и сплавов / Л.Н.Лариков, Ю.Ф.Юрченко. Киев, 1985, 440 с.
8. Борисова Е.А. Загорание титановых сплавов в кислородсодержащих средах // Е.А.Борисова, К.В.Барданов. Металловедение и термическая обработка металлов. 1963. № 2. С. 37-40.
9. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М., Наука, 1987.
10. Болобов Б. И. К механизму самовозгорания титановых сплавов в кислороде // Физика горения и взрыва. 2002, Т. 38, № 6. С. 37-45.
11. Болобов Б. И. Возможный механизм самовозгорания титановых сплавов в кислороде // Физика горения и взрыва. 2003, Т. 39, № 6. С. 77-81.
12. Болобов Б. И. К расчету критического давления возгорания титановых сплавов в парогазовых смесях автоклавов // Цветные металлы. 2022, № 10. С. 94-97. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ —
Болобов Биктор Иванович — доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник, boloboff@mail.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
UDC 669.295:620. 193:669.243
FOR SECURE OPERATION POSSIBLE TITANIUM AUTOCLAVE EQUIPMENT OPERATING WITH GASEOUS OXYGEN
Bolobov Viktor Ivanovich, Professor, boloboff@mail.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia.
It is noted that the widespread use of titanium in an autoclave equipment ferrous metallurgy prevents negative feature of titanium alloys used in the spontaneous combustion of oxygen-containing environments at pressures 02 above the critical P*. The basic tenets of the theory of ignition of metals, based on the approval of heating fragments of structures to a temperature T* due to the work of destruction. The correlation between the calculated values of T* and experimentally established values of P* a-titanium alloys in 02: with increasing temperature T* (c 682 to 770 K), determined by the strength properties of the material, the critical pressure P* fire alloy decreases monotonically (2.9 to 0.7 MPa), which explains the marked in the literature influence on the value of P* alloy composition. It is shown that the unique ability of titanium fire in the destruction of oxygen is due to a significantly greater than that of other materials speed interaction of 02 with the juvenile surface of the metal, as well as abnormally high solubility of oxygen in titanium and concomitant thermal effect. Concluded that the safe operation of titanium alloys in oxygen-containing environments autoclaves can be ensured the development of technical activities, excluding the heating potential sites of friction titanium structures to auto-ignition temperature T* alloys at these partial pressures of the reactant gases, calculated by the above formula.
Key words: autoclave equipment, oxygen gas, titanium, a fire in the destruction, critical values of pressure and temperature.
REFERENCES
I. Nabojchenko S.S. Avtoklavnaja gidrometallurgija cvetnyh metallov (Autoclave hy-drometallurgy of nonferrous metals)/ S.S.Nabojchenko, L.P.Ni, Ja.M.Shneerson, L.V.Chugaev. Ekaterinburg, 2002. 940 p.
2 Littman F.E., Church F.M., Kinderman E.M. A study of metal ignitions. The spontaneous ignition of titanium / / J. Less-Common Metals, 1961, v.3, pp. 367 -378.
3 Littman F.E., Church F.M., Kinderman E.M. A study of metal ignitions. The spontaneous ignition of zirconium / / J. Less-Common Metals, 1961, v.3, pp. 378 -397.
4 Barth T.R., Hair A.T.C., Meier T.P. (Hudson Bay Mining and Smelting Company, Ltd PO Box 1500, Flin Hon, Manitoba R8A 1N9). Zinc and Lead Processing The Metallurgical Society of CIM, 1998
5 Bolobov V.I., Podlevskikh N.A. Theory of fire metal fracture // Physics of burning and explosion. 2007, T. 43, № 4. Pp. 39-48.
6. Bolobov V.I. Theory of Ignition of Metals at Fracture. Combustion, Explosion, and Shock Waves. Vol. 48, No.6, pp. 689-693, 2022
7. Larikov L. N. Struktura i svojstva metallov i splavov (The structure and properties of metals and alloys). Spravochnik. Teplovye svojstva metallov i splavov / L.N.Larikov, Ju.F.Jurchenko. Kiev, 1985, 440 p.
8. Borisova E.A. Zagoranie titanovyh splavov v kislorodsoderzhashhih sredah (Fire titanium alloys in oxygen-containing media)// E.A.Borisova, K.V.Bardanov. Metallovedenie i termicheskaja obrabotka metallov. 1963. No 2. pp. 37-40.
9. Frank-Kameneckij D. A. Diffuzija i teploperedacha v himicheskoj kinetike (Diffusion and heat transfer in chemical kinetics). Moscow, Nauka, 1987.
10. Bolobov V. I. K mehanizmu samovozgoranija titanovyh splavov v kislorode (Mechanism of self-ignition of titanium alloys in oxygen)// Fizika gorenija i vzryva. 2002, T. 38, No 6. pp. 37-45.
II. Bolobov V. I. Vozmozhnyj mehanizm samovozgoranija titanovyh splavov v kis-lorode (Possible mechanism of autoignition of titanium alloys in oxygen) // Fizika gorenija i vzryva. 2003, T. 39, No 6. pp. 77-81.
12. Bolobov V. I. K raschetu kriticheskogo davlenija vozgoranija titanovyh splavov v parogazovyh smesjah avtoklavov (On the calculation of the critical pressure fire titanium alloys vapor gas mixtures autoclaves)// Cvetnye metally. 2022, No 10. pp. 94-97.
Особенности плавки титановых сплавов
23.04.2022
При нагреве на воздухе титан взаимодействует со всеми газами. Взаимодействие твердого титана с кислородом сопровождается образованием оксидов TiO2, Ti2O3 и TiO. С повышением температуры кислород диффундирует внутрь металла, образуя твердые растворы внедрения. Жидкий титан растворяет кислород. При кристаллизации титан с кислородом образует ряд твердых растворов. Кислород стабилизирует α-фазу, повышая температуру полиморфного превращения α-Ti в β-Ti.
С увеличением содержания кислорода ухудшается технологическая пластичность, резко падает ударная вязкость, относительное удлинение и сужение, повышаются прочность и твердость. В пределах до 0,2 % (по массе) каждая сотая доля процента кислорода повышает предел прочности на 12,3 МПа, твердость на 39 МПа и снижает относительное удлинение и сужение на 1—1,2 %.
Азот также образует с титаном растворы внедрения, стабилизирует a-фазу и упрочняет его Каждая сотая доля процента азота повышает предел прочности титана на 19,6 МПа и твердость на 59 МПа. При содержании 0,2 % азота титан становится хрупким.
Растворение кислорода и азота в титане является необратимым процессом.
Растворимость водорода в титане (до 400 см3/г) на четыре порядка выше, чем в алюминии. С повышением температуры растворимость снижается. Водород стабилизирует β-фазу, снижая температуру полиморфного превращения. Присутствуя в виде гидрида титана TiH2, водород резко снижает пластические характеристики, особенно ударную вязкость. Водород — одна из наиболее вредных примесей титана.
Углерод с титаном образует стойкий карбид TiC, повышает температуру его полиморфного превращения, и в области малых концентраций каждая сотая доля процента углерода увеличивает предел прочности на 7 МПа и твердость на 19 МПа.
Титан активно взаимодействует с парами воды, оксидом и диоксидом углерода, углеводородами и другими газами. Результатом взаимодействия является обогащение расплава кислородом, водородом, углеродом.
Наряду с газами титан взаимодействует со всеми огнеупорными материалами, восстанавливая окислы и растворяя углерод.
Высокая химическая активность обусловливает необходимость плавки титана и сплавов на его основе в вакууме или атмосфере инертных газов — аргона и гелия. В практике отечественных заводов преимущественно используют вакуумную плавку при остаточном давлении в печи 1,33—0,13 Па.
Для изготовления фасонных отливок плавку ведут в дуговых гарниссажных печах с расходуемым электродом в графитовых тиглях при плотности тока 10—30 А см2. Для изготовления тиглей используют плотные сорта электродного графита. Насыщение сплавов углеродом предотвращают намораживанием на внутреннюю поверхность тиглей слоя металла (гарниссажа) толщиной 50—60 мм в донной части и 12—16 мм по стенкам. В качестве расходуемого электрода применяют слитки первого переплава диаметром 170—300 мм и длиной 500 мм. При выплавке сплавов в шихте используют до 30 % крупнокусковых отходов собственного производства (прибыли, стояки, брак отливок), прошедших очистку в галтовочных барабанах. Отходы загружают на дно тигля до начала плавки. Режим плавки: сила тока 14 35 к А; напряжение 30—50 В; скорость наплавления сплава 0,7 1,34 кг/кВт-ч (8—15 кг/мин), длина дуги 60—80 мм. Расплав перемешивают с помощью соленоида.
В процессе плавки угар титана составляет 0,1—0,2 %, алюминия 2,0—2,5 %, марганца 10—15 %. Общие потери при втором переплаве составляют 0,3—0,6 %. Остаточная концентрация водорода при вакуумной плавке снижается до 0,002—0,003 % (по массе).
Аналогичные режимы плавления назначают при производстве слитков в печах ДТВ. Шихтовыми материалами для производства слитков из титановых сплавов являются титановая губка, легирующие элементы в виде чистых металлов и лигатур, отходы собственного производства.
Титановая губка представляет пористую металлическую массу серого цвета с размером кусков от 2 до 70 мм в поперечнике Химический состав титановой губки разных марок приведен в табл. 30.
Хранят и транспортируют губку в специальных контейнерах с герметичным уплотнением.
Для проведения плавки из шихтовых материалов изготавливают расходуемые электроды. В чистом виде в шихту вводят алюминий, хром, медь, марганец, ванадий, цирконий, железо, кремний. Молибден и олово вводят в виде лигатур с алюминием. Все хрупкие шихтовые материалы размельчают на дробилках в куски размером не более 15 мм в поперечнике, а затем просеивают через сито с размером ячейки 2×2 мм. Мелкую фракцию во избежание ее потерь вводят при прессовании расходуемого электрода завернутой в мягкую алюминиевую ленту. Для слитков ответственного назначения дробленую лигатуру подвергают магнитной сепарации. Алюминий и лигатуру алюминий — олово измельчают в стружку на строгальных станках; алюминий используют также в виде мелконарезанных кусочков проволоки.
Отходы титановых сплавов перед использованием в шихту очищают. Кусковые отходы галтуют для удаления оксидов и травят для удаления газонасыщенного слоя (1—1,5 мм). Стружку подвергают дроблению и магнитной сепарации для отделения осколков режущего инструмента.
Применяют два способа изготовления расходуемых электродов — спекание и прессование.
Сущность способа спекания состоит в том, что губку и легирующие компоненты подают в зону действия электрической дуги вакуумной электродуговой печи с нерасходуемым электродом. Шихта частично оплавляется. Жидкий металл способствует образованию большого числа контактов между отдельными кусками губки, что приводит к получению достаточно прочного электрода. По мере спекания постепенно догружают шихту, поднимая одновременно графитовый электрод. Способ спекания позволяет изготовить компактный электрод необходимой длины. Основные недостатки способа спекания — малая производительность, загрязнение графитом и неравномерность распределения легирующих элементов.
В практике отечественных заводов для изготовления расходуемых электродов используют метод прессования. Прессование пихты в большинстве случаев осуществляют на вертикальных или горизонтальных гидравлических прессах в проходную коническую матрицу с удельным давлением прессования 250—300 МПа. Для получения слитков необходимой однородности по составу порцию шихты на одну запрессовку принимают равной 5 —15 кг. Масса порции не должна превышать половины массы жидкой ванны во время первого переплава.
В некоторых случаях для улучшения электронной эмиссии и обеспечения стабильности электрической дуги в материал электрода вводят 0,02—0,45 % Mg. Быстрое испарение магния при плавлении способствует ионизации межэлектродного пространства, что создает хорошие условия для горения дуги. Испаряющийся магний конденсируется на холодных частях печи, не загрязняя расплав.
Практикой установлено, что для получения качественной поверхности слитка и обеспечения устойчивого горения дуги диаметр электрода должен быть близок к размеру слитка. Так, например, для слитка диаметром 300 мм применяют электроды диаметром 220 мм, для слитка диаметром 500 мм — электроды диаметром 420 мм.
Плавку с расходуемым электродом ведут в такой последовательности. Все части печи, соприкасающиеся с металлом, очищают от загрязнений. Внутрь изложницы снизу вводят прессованный электрод, обращая при этом особое внимание на точность центрирования электрода. Затем поддон плотно присоединяют к изложнице, создают разрежение 1,33 Па, включают систему водяного охлаждения и приваривают электрод к наконечнику электрододержателя. Для этого зажигают дугу между электродом и электрододержателем. В течение 10—15 с на верхнем торце электрода образуется ванна жидкого металла, в которую после выключения тока быстро опускают наконечник электрододержателя. После 10—15 мин выдержки поддон опускают, насыпают на него слой губки и вновь устанавливают на место. В печи создают такое же разрежение, как и при приварке электрода, проверяют на натекание, включают ток и опусканием электрода до соприкосновения с губкой, лежащей на поддоне, зажигают дугу. По мере оплавления электрод опускается. Ввиду выделения большого количества летучих дуга неустойчива. Регулирование длины дуги при расплавлении прессованного электрода производится автоматически. Перемешивают расплав при помощи соленоида. В зависимости от диаметра расходуемого электрода для плавки используют ток силой 4,8—7 кА и напряжением 26—30 В. Скорость на-плавления при этом колеблется в пределах 2,5—4,0 кг/мин. После расплавления расходуемого электрода полученный слиток охлаждают в изложнице до 400—500 °С. Для ускорения охлаждения в рабочее пространство печи подают гелий. Слиток первой плавки ввиду его неоднородности по химическому составу используют в качестве расходуемого электрода во второй плавке.
Горячие слитки первого переплава сразу же после выгрузки из кристаллизатора чистят металлической щеткой в проточной воде для удаления хлоридов. Затем на токарных станках обрезают короны и обтачивают окисленные места. При необходимости получения крупных отливок несколько слитков первой плавки сваривают в один электрод по технологии, аналогичной привариванию прессованного электрода к наконечнику электрододержателя.
Перед плавкой на поддон кладут титановый темплет, который предотвращает прогорание поддона при зажигании дуги. Второй переплав ведут на постоянном токе силой 6,6—11 кА и напряжением 26—30 В. Скорость наплавления при таком режиме плавки составляет 3,5—5,5 кг/мин. Дугу регулируют автоматически.
Для уменьшения размера усадочной раковины верхнюю часть слитка второго переплава подогревают в течение 30—40 мин. В течение 1,5—2 ч слитки охлаждают в изложнице, а затем извлекают из печи.
В большинстве случаев первый и второй переплавы ведут на разных печах. Такой режим работы связан с большой затратой времени на охлаждение слитков первой плавки и на создание необходимого разрежения.