RU2197548C2 - Method of consumable electrode production from metal chips - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgical processing of wastes, mainly, in the form of chips from titanium alloys to produce consumable electrodes in production of secondary titanium alloys and in steel alloying. SUBSTANCE: method includes crushing and cleaning of chips, vacuum thermal degassing at 550-650 C with holding ay said temperature for 1-2 h. Chip briquettes are pressed and loaded into mold with clearance. Mold before filling with the same alloy is heated up to 400-450 C. Invention provides for utilization of 100% of ships in production of casting alloys, exclusion of expensive titanium sponge from process of manufacture of consumable electrodes, increased mechanical strength of electrodes and improved quality of secondary alloys due to reduction of impurities content. EFFECT: higher efficiency. 5 cl, 2 tbl, ex

Description

Изобретение относится к металлургической переработке отходов машиностроительного производства, преимущественно в виде стружки, в частности стружки из титановых сплавов. Продукт переработки в форме расходуемых электродов может найти применение при производстве вторичных титановых сплавов, а также в черной металлургии для легирования сталей. The invention relates to metallurgical processing of waste from engineering production, mainly in the form of shavings, in particular shavings from titanium alloys. The processed product in the form of consumable electrodes can find application in the production of secondary titanium alloys, as well as in ferrous metallurgy for alloying steels.

Наиболее распространенным (около 45% от общей массы промышленных металлических отходов) и труднее всего перерабатываемым видом отходов является стружка, сложность подготовки которой к переработке заключается в том, что она занимает большой объем, загрязнена эмульсией, техническим маслом, посторонними предметами в виде частиц металлов и твердых сплавов. В настоящее время переработке подвергается незначительное количество стружечных отходов, большая их часть утилизируется не только без учета экономических интересов, но и с нарушением требований экологической безопасности. The most common (about 45% of the total mass of industrial metal waste) and the most difficult type of waste to process is shavings, the difficulty of preparing it for processing is that it takes up a large amount, is contaminated with emulsion, technical oil, foreign objects in the form of metal particles and hard alloys. Currently, a small amount of particle waste is being processed, most of it is disposed of not only without taking into account economic interests, but also in violation of environmental safety requirements.

Известен способ получения расходуемых электродов с использованием 10-15% стружки, остальное - титановая губка /1/, заключающийся в том, что вначале прессуют брикеты, которые затем сваривают в аргоне в расходуемый электрод. Недостатком способа является использование значительного количества дорогостоящей титановой губки, а также недостаточная механическая прочность электродов, что может привести их к разрушению в процессе переплава. A known method of producing consumable electrodes using 10-15% shavings, the rest is a titanium sponge / 1 /, which consists in first pressing briquettes, which are then welded in argon into a consumable electrode. The disadvantage of this method is the use of a significant amount of expensive titanium sponge, as well as insufficient mechanical strength of the electrodes, which can lead to their destruction during remelting.

Известна технология изготовления расходуемых электродов /2/ из кусковых титановых отходов литейного производства и брикетированной стружки путем укладки в изложницу кусковых отходов и стружечных брикетов с последующей заливкой изложницы жидким одноименным сплавом, который заполняет пустоты между кусками и брикетами и формирует расходуемый электрод. Основным недостатком рассматриваемого аналога является малая доля использования стружечных отходов, так как значительная весовая часть шихты комплектуется из кусковых отходов, лигатуры и титановой губки. A known technology for the manufacture of consumable electrodes / 2 / from lump titanium waste of foundry and briquetted chips by laying in the mold lump waste and chip briquettes, followed by filling the mold with the same liquid alloy that fills the voids between the pieces and briquettes and forms a consumable electrode. The main disadvantage of this analogue is the small proportion of the use of particle waste, since a significant weight part of the charge is completed from lumpy waste, ligature and titanium sponge.

Известен способ получения расходуемых электродов /3/ путем заливки одноименным сплавом загруженных в изложницу титановых кусковых отходов и стружечных брикетов (доля использования стружки в шихте составляет 5-10%). К недостаткам данного аналога следует отнести низкий процент использования стружечных отходов и значительное содержание кислорода в слитке, полученном после переплава изготовленного по данному способу электрода, так как из-за загрязнения стружки увеличение количества брикетов в шихте на один процент приводит к повышению содержания кислорода во вторичном сплаве на 0,008%. A known method of producing consumable electrodes / 3 / by pouring the same name alloy loaded into the mold of titanium lumpy waste and chip briquettes (the share of chip use in the charge is 5-10%). The disadvantages of this analogue include the low percentage of use of chip waste and a significant oxygen content in the ingot obtained after remelting the electrode manufactured by this method, since due to contamination of the chip, one percent increase in the number of briquettes in the charge leads to an increase in the oxygen content in the secondary alloy by 0.008%.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату аналогом является способ получения расходуемых электродов из титана и его сплавов /4/, в основном из отходов в виде кусков скрапа, обрези и стружки. Способ характеризуется тем, что предварительно проводят подготовку шихты, загрузку ее в изложницу и заливку расплавленным сплавом. В случае использования шихты в виде стружечных брикетов, последние загружают в изложницу с зазором, обеспечивающим заполнение объема изложницы жидким металлом, а перед заливкой изложницу нагревают до 300-350^oС. Кроме того, в зависимости от объемной загрузки изложницы шихтой используют различные методы заливки жидкого металла. Данному способу присущи недостатки аналогов, в основе которых лежит малая доля вовлекаемых в металлургический передел стружечных отходов, а также значительное содержание примесей внедрения в виде углерода, кислорода, водорода и азота, ухудшающих механические свойства вторичных сплавов, полученных после переплава электродов. Кроме того, недостаточный нагрев изложницы перед заливкой может привести к осыпанию стружки в процессе переплава электрода из-за слабого диффузионного сцепления материала брикетов и жидкого сплава.The closest in technical essence and the achieved result analogue is a method for producing consumable electrodes from titanium and its alloys / 4 /, mainly from waste in the form of scrap pieces, trimmings and chips. The method is characterized in that they pre-prepare the mixture, load it into the mold and pour it with molten alloy. In the case of using a mixture in the form of chip briquettes, the latter is loaded into the mold with a gap that ensures filling the mold volume with molten metal, and before casting the mold is heated to 300-350 ^o C. In addition, depending on the volume loading of the mold, the mixture uses various methods of filling the mold metal. This method has inherent disadvantages of analogues, which are based on a small proportion of particle waste involved in the metallurgical redistribution, as well as a significant content of interstitial impurities in the form of carbon, oxygen, hydrogen and nitrogen, which worsen the mechanical properties of secondary alloys obtained after remelting the electrodes. In addition, insufficient heating of the mold before casting can lead to shedding of chips during the remelting of the electrode due to weak diffusion adhesion of the material of the briquettes and the liquid alloy.

Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в 100% вовлечении стружки в металлургический передел, исключении из процесса изготовления расходуемых электродов дорогостоящей титановой губки, в повышении механической прочности электродов и улучшении качества вторичных сплавов за счет уменьшения содержания примесей внедрения. The invention is aimed at solving the problem of 100% involving chips in the metallurgical redistribution, eliminating expensive titanium sponge from the manufacturing process of consumable electrodes, increasing the mechanical strength of the electrodes and improving the quality of secondary alloys by reducing the content of interstitial impurities.

Поставленная задача решается за счет того, что в процессе получения расходуемых электродов стружку подвергают дроблению, очистке, вакуумно-термической дегазации (ВТД) при 550-650^oС и выдержке 1-2 ч, затем стружку прессуют в цилиндрические брикеты, которые загружают в изложницу с зазором, обеспечивающим заполнение жидким металлом, а перед заливкой изложницы одноименным сплавом ее нагревают до 400-450^oС. Отличием способа является проведение ВТД стружки перед ее прессованием в брикеты и нагрев изложницы вместе с загруженными в нее брикетами до 400-450^oС, а также то, что холодное прессование брикетов ведут до относительной плотности 0,6-0,75 при отношении высоты брикета к его диаметру от 0,5-3, при этом диаметры загружаемых в изложницу брикетов равны между собой, отношение диаметра брикетов к внутреннему диаметру изложницы составляет 0,8-0,9, на дно изложницы укладывают брикет с наибольшей относительной плотностью, а для изготовления последующего электрода используют предыдущий электрод, который расплавляют в количестве, равном массе заливаемого в изложницу сплава при изготовлении предыдущего электрода.The problem is solved due to the fact that in the process of obtaining consumable electrodes, the chips are subjected to crushing, cleaning, vacuum-thermal degassing (VTD) at 550-650 ^o C and holding for 1-2 hours, then the chips are pressed into cylindrical briquettes, which are loaded into the mold with a gap that ensures filling with liquid metal, and before pouring the mold with the same alloy, it is heated to 400-450 ^o C. The difference of the method is to conduct the VTC of the chip before it is pressed into briquettes and the mold is heated together with the briquettes loaded into it to 400- 450 ^o C, as well as the fact that the cold pressing of briquettes is carried out to a relative density of 0.6-0.75 with a ratio of briquette height to its diameter of 0.5-3, while the diameters of the briquettes loaded into the mold are equal to each other, the diameter ratio briquettes to the inner diameter of the mold is 0.8-0.9, the briquette with the highest relative density is placed on the bottom of the mold, and the previous electrode is used to make the next electrode, which is melted in an amount equal to the mass of the alloy cast into the mold in the manufacture of the previous ground electrode.

Оптимальные последовательность проведения операций и режимы осуществления способа определены экспериментальным путем. При ВТД с поверхности стружки удаляются примеси, снимается деформационный наклеп, образующийся при механической обработке сплава и дроблении стружки, в результате чего усилие прессования стружки снижается на 20-30% (при заданной плотности брикета). Температура дегазации от 550^oС до 650^oС при выдержке 1-2 ч обеспечивает наибольший эффект удаления газовых примесей и снижение поверхностной микротвердости стружки (наклепа), повышение температуры ВТД более 650^oС и выдержке более 2 ч экономически не оправдано по причине значительных энергозатрат. Нагрев изложницы до 400-450^oС обусловлен необходимостью создания наибольшего сцепления материала стружечных брикетов и заливаемого одноименного сплава. Относительная плотность брикетов в пределах 0,6-0,75, величина литейного зазора от 0,8 до 0,9 отношения диаметра брикетов к внутреннему диаметру изложницы, отношение высоты брикета к его диаметру в диапазоне 0,5-3 и установка на дно изложницы брикета с наибольшей плотностью выбраны из условия обеспечения достаточной механической прочности расходуемых электродов и литейных свойств заливаемого в изложницу одноименного сплава.The optimal sequence of operations and modes of implementation of the method are determined experimentally. During injection flow, impurities are removed from the surface of the chip, the deformation hardening formed during the mechanical processing of the alloy and chip crushing is removed, as a result of which the chip pressing force is reduced by 20-30% (at a given briquette density). The degassing temperature from 550 ^o C to 650 ^o C with a holding time of 1-2 hours provides the greatest effect of removing gas impurities and a decrease in the surface microhardness of chips (hardening), an increase in the temperature of the inlet heat exchanger of more than 650 ^o C and holding for more than 2 hours is not economically justified due to significant energy consumption . Heating of the mold to 400-450 ^o With due to the need to create the greatest adhesion of the material of the chip briquettes and poured of the same name alloy. The relative density of briquettes is in the range of 0.6-0.75, the size of the casting gap is from 0.8 to 0.9, the ratio of the diameter of the briquettes to the inner diameter of the mold, the ratio of the height of the briquette to its diameter in the range of 0.5-3 and the installation on the bottom of the mold the briquettes with the highest density are selected from the condition of ensuring sufficient mechanical strength of the consumable electrodes and the casting properties of the alloy of the same name poured into the mold.

Способ осуществляют следующим образом. Металлическую стружку, преимущественно из титановых сплавов, дробят в молотковой дробилке типа 188 ДР до размера отдельных частиц (5-10)•(5-20) мм и промывают в обезжиривающем растворе, например, содержащем 30-35 г/л кальцинированной соды и 15-20 г/л тринатрийфосфата при 60-80^oС, после чего промывают в воде и сушат при 200^oС, затем сухую стружку подвергают магнитной сепарации на установке типа ПБСЦ 40/10.The method is as follows. Metal chips, mainly from titanium alloys, are crushed in a hammer mill type 188 DR to a particle size of (5-10) • (5-20) mm and washed in a degreasing solution, for example, containing 30-35 g / l of soda ash and 15 -20 g / l trisodium phosphate at 60-80 ^o C, after which it is washed in water and dried at 200 ^o C, then the dry chips are subjected to magnetic separation in a plant of type PBC 40/10.

Подготовленную таким образом стружку подают в термическую печь для проведения ВТД при остаточном давлении в камере печи 5•10^-3 мм рт.ст., температуре 550-650^oС и выдержке 1-2 ч. Охлаждение стружки до 200^oС осуществляют при сохранении рабочего давления в камере печи, а окончательное охлаждение производят вместе с печью при отключенных вакуумных насосах.Chips prepared in this way are fed into a thermal furnace for carrying out the VHT at a residual pressure in the furnace chamber of 5 • 10 ^-3 mm Hg, a temperature of 550-650 ^o C and a holding time of 1-2 hours. The chips are cooled to 200 ^o C while maintaining operating pressure in the furnace chamber, and the final cooling is carried out together with the furnace with the vacuum pumps turned off.

Для подтверждения технических результатов была проведена ВТД двух партий стружки из сплавов ВТ1-0 и ВТ5 массой 40 кг каждая. Сортность стружки соответствовала 1-й и 2-й гр. II сорта по ГОСТ 1639-93. Содержание газовых примесей в виде углерода, кислорода, водорода, азота и микротвердость частиц стружки определяли до и после ВТД. Для определения указанных параметров брали от 5 до 10 навесок из каждой партии стружки и усредняли полученные результаты. Содержание углерода определяли кулонометрическим титрованием по ГОСТ 9853.3-86, кислорода - плавлением навески в инертном газе по ГОСТ 28052-89, водорода - спектрально-изотопным методом по ГОСТ 24056-81 и азота - титровальным методом по ГОСТ 9853.1-79. Микротвердость определяли по методу Виккерса. Результаты определений приведены в табл. 1. To confirm the technical results, an VTD of two batches of shavings from VT1-0 and VT5 alloys with a weight of 40 kg each was carried out. The grade of chips corresponded to the 1st and 2nd gr. Grades II according to GOST 1639-93. The content of gas impurities in the form of carbon, oxygen, hydrogen, nitrogen and the microhardness of the chip particles were determined before and after the HPT. To determine these parameters, 5 to 10 samples were taken from each batch of chips and the results were averaged. The carbon content was determined by coulometric titration according to GOST 9853.3-86, oxygen - by melting a sample in an inert gas according to GOST 28052-89, hydrogen - by the spectral-isotopic method according to GOST 24056-81 and nitrogen - by the titration method according to GOST 9853.1-79. Microhardness was determined by the Vickers method. The results of the determinations are given in table. 1.

Анализ полученных измерений (табл. 1) показывает, что проведение ВТД позволяет снизить содержание газовых примесей в среднем по углероду на 80%, по кислороду и азоту на 30% и по водороду на 60%, а микротвердость частиц стружки в среднем на 10-15%. После ВТД производят холодное прессование стружечных брикетов на прессе с усилием 1,6 МН с односторонней схемой приложения усилия прессования. An analysis of the measurements obtained (Table 1) shows that the VHT allows reducing the content of gas impurities by an average of 80% for carbon, 30% for oxygen and nitrogen, and 60% for hydrogen, and chip hardness of particles for an average of 10-15 % After HTD, cold pressing of chip briquettes on a press with a force of 1.6 MN is carried out with a one-sided scheme of applying a pressing force.

Пример. Изготовили брикеты диаметром 100 мм, которые загрузили в металлическую вытряхиваемую изложницу с внутренним диаметром 120 мм и залили одноименным сплавом в вакуумно-дуговой гарниссажной печи. Нагрев изложницы до 400-450^oС осуществляли непосредственно в печи, а в качестве одноименного сплава при получении первичного электрода использовали отходы литейного производства массой не более 50% от массы изготавливаемого первичного электрода.Example. Briquettes with a diameter of 100 mm were made, which were loaded into a metal shaking mold with an internal diameter of 120 mm and filled with the same name in a vacuum-arc skull furnace. The mold was heated to 400-450 ^o C was carried out directly in the furnace, and foundry waste with a mass of not more than 50% of the mass of the manufactured primary electrode was used as the alloy of the same name upon receipt of the primary electrode.

После заливки получили первичный расходуемый электрод диаметром 120 мм, высотой 300 мм и массой около 12 кг. Объемное заполнение электрода стружечными брикетами составило 70%, по массе 61% (при относительной плотности брикетов 0,7). Для получения второго электрода использовали первичный, который расплавили по массе около 40%, оставшуюся часть применили при изготовлении последующего электрода. After pouring, a primary consumable electrode with a diameter of 120 mm, a height of 300 mm and a mass of about 12 kg was obtained. The volumetric filling of the electrode with chip briquettes was 70%, by weight 61% (with a relative density of briquettes of 0.7). To obtain the second electrode, a primary one was used, which was melted by mass about 40%, the rest was used in the manufacture of the subsequent electrode.

Всего из исходных партий титановой стружки получили по три электрода от каждой партии, которые сварили между собой в инертной среде и переплавили в слитки методом вакуумно-дуговой плавки. In total, three electrodes from each batch were obtained from the initial batches of titanium shavings, which were welded together in an inert medium and melted into ingots by the vacuum-arc melting method.

Химический состав и механические свойства полученных слитков приведены в табл.2. The chemical composition and mechanical properties of the obtained ingots are given in table 2.

Полученные расходуемые электроды со 100% использованием стружки и изготовленные из них методом гарниссажной плавки вторичные титановые сплавы показывают перспективность применения заявляемого способа для решения проблемы утилизации промышленных отходов. Несмотря на то, что вторичные сплавы имеют некоторое повышенное содержание примесей внедрения по сравнению со стандартными сплавами, они по физико-механическим и экономическим показателям могут быть широко использованы в различных отраслях техники. The resulting consumable electrodes with 100% use of shavings and secondary titanium alloys made from them by skull melting show the promise of using the inventive method to solve the problem of recycling industrial waste. Despite the fact that secondary alloys have a certain increased content of interstitial impurities in comparison with standard alloys, they can be widely used in various branches of technology in terms of physicomechanical and economic indicators.

Источники информации
1. Кипарисов С.С. и др. Переработка титанового скрапа, М., 1984, вып.1.Sources of information
1. Kiparisov S.S. and other Processing of titanium scrap, M., 1984, issue 1.

2. Филин Ю. А. и др. Переработка и использование титановых отходов в литейных цехах, ж-л "Литейное производство", 2000, 7, с.21. 2. Filin Yu. A. et al. Processing and use of titanium waste in foundries, railway "Foundry", 2000, 7, p.21.

3. Абрамова К.Б. и др. Брикетирование титановой стружки под воздействием коротких импульсов электрического тока, ж-л "Цветные металлы", 1998, 12, с. 70-74. 3. Abramova K.B. and others. Briquetting of titanium chips under the influence of short pulses of electric current, f "Non-ferrous metals", 1998, 12, p. 70-74.

4. Патент РФ 2081727, В 22 D 27/00, 1997, БИ 17. 4. RF patent 2081727, B 22 D 27/00, 1997, BI 17.

Claims (5)

1. Способ получения расходуемых электродов из металлической стружки, преимущественно из стружки титановых сплавов, включающий дробление и очистку стружки, прессование стружечных брикетов цилиндрической формы, загрузку брикетов в изложницу с зазором, обеспечивающем заполнение жидким металлом, и нагрев изложницы перед заливкой одноименным сплавом, отличающийся тем, что перед прессованием брикетов стружку подвергают вакуумно-термической дегазации при 550-650^oС и выдержке 1-2 ч, а нагрев изложницы осуществляют до 400-450^oС.1. A method of producing consumable electrodes from metal shavings, mainly from shavings of titanium alloys, including crushing and cleaning chips, pressing chip briquettes of a cylindrical shape, loading briquettes into a mold with a gap that allows filling with liquid metal, and heating the mold before casting with the same alloy, characterized in that before pressing the briquettes, the chips are subjected to vacuum-thermal degassing at 550-650 ^o C and holding for 1-2 hours, and the mold is heated to 400-450 ^o C. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прессование стружечных брикетов проводят до относительной плотности 0,6-0,75 при отношении высоты брикетов к их диаметру, равном 0,5-3,0. 2. The method according to p. 1, characterized in that the pressing of chip briquettes is carried out to a relative density of 0.6-0.75 with a ratio of the height of the briquettes to their diameter equal to 0.5-3.0. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диаметры загружаемых в изложницу стружечных брикетов равны между собой, а отношение диаметра брикетов к внутреннему диаметру изложницы составляет 0,8-0,9. 3. The method according to p. 1, characterized in that the diameters of the loaded into the mold chip briquettes are equal to each other, and the ratio of the diameter of the briquettes to the inner diameter of the mold is 0.8-0.9. 4. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что при загрузке брикетов в изложницу на ее дно укладывают брикет с наибольшей относительной плотностью. 4. The method according to PP. 1 and 3, characterized in that when loading the briquettes into the mold, a briquette with the highest relative density is laid at its bottom. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения последующего расходуемого электрода используют предыдущий электрод, который расплавляют в количестве, равном массе заливаемого в изложницу сплава при получении последующего электрода. 5. The method according to p. 1, characterized in that to obtain the subsequent consumable electrode, the previous electrode is used, which is melted in an amount equal to the mass of the alloy cast into the mold upon receipt of the subsequent electrode.

Images