RU2749010C1 - Method for vacuum arc final remelting of titanium alloy ingots of vt3-1 brand - Google Patents

Abstract

FIELD: electrometallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to electrometallurgy, namely to vacuum arc remelting of highly reactive metals and alloys, and can be used in melting ingots from titanium alloys. The method for vacuum arc remelting of titanium alloy ingots of VT3-1 brand includes the final remelting of the consumable electrode, consisting of the initial melting period, the main melting period and the end of the melting process - removing the shrinkage cavity. The main melting period is carried out with an arc current from 9 to 11 kA and an established arc gap of 8-14 mm, maintained with an accuracy of ±0.5 mm. An ingot is obtained, the structure of which is characterized by the absence of zonal segregation.

EFFECT: chemical homogeneity in the ingot is also ensured.

1 cl, 3 dwg, 4 tbl

Description

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков из титановых сплавов.The invention relates to special electrometallurgy, namely to vacuum arc remelting of highly reactive metals and alloys, and can be used in melting ingots from titanium alloys.

В настоящее время в промышленности широко используется (α+β)-титановый сплав марки Вт3-1. Сплав применяется для изготовления полуфабрикатов методом деформации, а также деталей и узлов, длительно работающих до температуры 450°С. Содержащиеся в сплаве хром, железо и кремний повышают прочностные и жаропрочные свойства при умеренных температурах. Однако совокупная принадлежность этих элементов к эвтектоидообразующим β-стабилизаторам с равновесным коэффициентом распределения K<1 увеличивает склонность сплава к ликвационной неоднородности в выплавляемых слитках, что может приводить к несоответствию химического состава и температуры полиморфного превращения и/или к соответствующему разбросу по микроструктуре и механическим свойствам материала. При этом ликвационная неоднородность слитка может присутствовать в виде β-флеков, т.е. локальных участков с повышенным содержанием β-стабилизаторов, «древовидной» структуры, которая представляет собой чередование темных и светлых линий на поперечном сечении прутков, значительно отличающихся друг от друга по химическому составу и имеющих содержание легирующих элементов за пределами заданного диапазона, а также зональной ликвационной неоднородности по сечению всего слитка.Currently, the industry is widely used (α + β) -titanium alloy grade VT3-1. The alloy is used for the manufacture of semi-finished products by the deformation method, as well as parts and assemblies that operate for a long time up to a temperature of 450 ° C. Chromium, iron and silicon contained in the alloy increase the strength and heat-resistant properties at moderate temperatures. However, the aggregate belonging of these elements to eutectoid-forming β-stabilizers with an equilibrium distribution coefficient K <1 increases the tendency of the alloy to segregation inhomogeneity in the ingots being melted, which can lead to a mismatch in the chemical composition and temperature of polymorphic transformation and / or to a corresponding spread in the microstructure and mechanical properties of the material. ... In this case, the segregation inhomogeneity of the ingot can be present in the form of β-flakes, i.e. local areas with an increased content of β-stabilizers, a "tree-like" structure, which is an alternation of dark and light lines on the cross-section of rods that differ significantly from each other in chemical composition and have a content of alloying elements outside the specified range, as well as zonal segregation inhomogeneity over the section of the entire ingot.

Появление указанных дефектов, прежде всего, связано с режимами окончательного переплава. Вместе с тем при получении слитков вакуумным дуговым переплавом в значительной степени на уровень их качества, химической и структурной однородности оказывает влияние размерный фактор. В частности, увеличение диаметра получаемого слитка и, соответственно, сопутствующее повышение силы тока плавления увеличивает степень как зональной, так и локальной ликвации. Для разработки оптимальной технологии вакуумного дугового переплава любого сплава необходимо устанавливать взаимосвязь между параметрами переплава, технологическими параметрами получаемого слитка сплава (ковкость, технологическая пластичность и т.п.) и возможными дефектами литой структуры. Поэтому весьма актуальной становится проблема получения качественного крупногабаритного слитка, что требует разработки новых режимов выплавки и автоматического управления работой вакуумных дуговых печей.The appearance of these defects is primarily associated with the modes of final remelting. At the same time, when receiving ingots by vacuum arc remelting, the size factor influences the level of their quality, chemical and structural homogeneity to a large extent. In particular, an increase in the diameter of the resulting ingot and, accordingly, a concomitant increase in the melting current increases the degree of both zonal and local segregation. To develop an optimal technology for vacuum arc remelting of any alloy, it is necessary to establish a relationship between the remelting parameters, the technological parameters of the resulting alloy ingot (malleability, technological plasticity, etc.) and possible defects in the cast structure. Therefore, the problem of obtaining a high-quality large-sized ingot becomes very urgent, which requires the development of new smelting modes and automatic control of the operation of vacuum arc furnaces.

Известен способ вакуумного дугового переплава слитков преимущественно титановых сплавов, включающий подготовку расходуемого электрода (слитка первого переплава) к плавлению, начальный период плавки, основной период плавки и окончание процесса плавления, при этом перед основным периодом плавки устанавливают оптимальную величину дугового зазора в пределах 10-60 мм и поддерживают ее с точностью ±5 мм до конца процесса плавления расходуемого электрода путем одновременного измерения напряжения на дуге и повышения давления в печи и корректировки этих величин до необходимых значений изменением скорости перемещения электрода вниз (Патент РФ №2164957, публ. 10.04.2001, МПК С22В 9/20).There is a known method of vacuum arc remelting of ingots of predominantly titanium alloys, including the preparation of a consumable electrode (ingot of the first remelting) for melting, the initial melting period, the main melting period and the end of the melting process, while before the main melting period, the optimal value of the arc gap is set within 10-60 mm and maintain it with an accuracy of ± 5 mm until the end of the melting process of the consumable electrode by simultaneously measuring the arc voltage and increasing the pressure in the furnace and adjusting these values to the required values by changing the speed of the electrode downward movement (RF Patent No. 2164957, publ. 10.04.2001, IPC S22V 9/20).

Недостатками известного способа являются невозможность корректировки давления в печи, а также низкая точность измерения величины дугового зазора.The disadvantages of this method are the impossibility of adjusting the pressure in the furnace, as well as the low accuracy of measuring the value of the arc gap.

Известен способ получения слитков высоколегированных, преимущественно титановых, сплавов, включающий подготовку расходуемого электрода к, по крайней мере, двойному вакуумному дуговому переплаву с получением на первом переплаве литого расходуемого электрода, при этом в процессе первого переплава после наведения ванны жидкого металла объем его уменьшают на протяжении всего процесса плавления, а при окончательном переплаве расходуемого электрода наведение ванны жидкого металла осуществляют на максимальном токе дуги на подложку с тепловым зазором 1-3 мм до получения слитка высотой (0,20-0,35)Д_к, где Д_к - диаметр кристаллизатора, мм, после чего литой расходуемый электрод плавят на минимально возможном токе дуги, который определяют по установленному выражению (Патент РФ №2244029, публ. 10.01.2005, МПК С22В 9/20).A known method of producing ingots of highly alloyed, mainly titanium, alloys, including the preparation of a consumable electrode for at least double vacuum arc remelting to obtain a cast consumable electrode at the first remelting, while in the process of the first remelting after placing a bath of liquid metal, its volume is reduced during of the entire melting process, and during the final remelting of the consumable electrode, the bath of liquid metal is guided at the maximum arc current on the substrate with a thermal gap of 1-3 mm until an ingot with a height of (0.20-0.35) D _{k is} obtained, where D _k is the diameter of the mold , mm, after which the cast consumable electrode is melted at the lowest possible arc current, which is determined by the established expression (RF Patent No. 2244029, publ. 10.01.2005, IPC S22V 9/20).

Недостатком известного способа являются повышенные затраты на изготовление подложки и ее отделения от слитка после выплавки.The disadvantage of this method is the increased cost of manufacturing the substrate and its separation from the ingot after melting.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения слитков, включающий подготовку прессованного расходуемого электрода к плавлению, начальный период плавки, основной период плавки, окончание процесса плавления, регулирование силы тока дуги и величины дугового зазора воздействием на зону плавления и кристаллизации магнитным полем таким образом, что после наведения на поддоне ванны жидкого металла определенной высоты объем жидкого металла на протяжении всего процесса плавления уменьшают за счет снижения силы тока дуги и уменьшения величины дугового зазора (патент РФ №2191836, кл. С22В 9/20, публ. 2002 г.) - прототип.The closest in technical essence to the claimed invention is a method for producing ingots, which includes preparing a pressed consumable electrode for melting, an initial melting period, the main melting period, the end of the melting process, regulation of the arc current and the magnitude of the arc gap by affecting the melting and crystallization zone with a magnetic field such in such a way that after pointing a bath of liquid metal of a certain height on the pan, the volume of liquid metal throughout the entire melting process is reduced by reducing the arc current and reducing the value of the arc gap (RF patent No. 2191836, class C22B 9/20, publ. 2002 ) is a prototype.

Данный способ используется для плавления прессованных расходуемых электродов и не обеспечивает получение слитков с хорошо проплавленной поверхностью. Кроме того, в указанном процессе переплава объем жидкой ванны непрерывно изменяется, что приводит к появлению ликвации. По этим причинам данный способ не пригоден для выплавки слитков ликвационно чувствительных титановых сплавов окончательного переплава.This method is used to melt pressed consumable electrodes and does not provide ingots with a well-melted surface. In addition, in the specified remelting process, the volume of the liquid bath is continuously changing, which leads to the appearance of segregation. For these reasons, this method is not suitable for smelting liquation-sensitive titanium alloy ingots for final remelting.

Задача, на решение которой направлено изобретения, является разработка режимов вакуумного дугового переплава, позволяющих улучшить качество выплавляемых слитков.The problem to be solved by the invention is the development of modes of vacuum arc remelting, allowing to improve the quality of the ingots being melted.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является получение структуры слитка с отсутствием зональной ликвации, древовидности и β-флеков.The technical result achieved by the implementation of the invention is to obtain an ingot structure with no zonal segregation, tree structure and β-flakes.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе вакуумного дугового переплава слитков из титанового сплава марки ВТ3-1, включающем окончательный переплав расходуемого электрода, состоящий из начального периода плавки, основного периода плавки и окончания процесса плавления - выведения усадочной раковины, согласно изобретению основной период плавки ведут при силе тока дуги от 9 до 11 кА и величине дугового зазора в интервале 8-14 мм, поддерживаемом с точностью ±0,5 мм. Переплавом получают слиток диаметром до 770 мм.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of vacuum arc remelting of titanium alloy ingots of VT3-1 grade, including the final remelting of the consumable electrode, consisting of the initial melting period, the main melting period and the end of the melting process - removing the shrinkage cavity, according to the invention, the main melting period are conducted at an arc current from 9 to 11 kA and an arc gap in the range of 8-14 mm, maintained with an accuracy of ± 0.5 mm. By remelting, an ingot with a diameter of up to 770 mm is obtained.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Расходуемый электрод, являющийся слитком первого переплава, загружают в кристаллизатор вакуумной дуговой печи. После загрузки и центровки электрода осуществляют его присоединение к электрододержателю. Печь вакуумируют, включают источник питания. Задают величину силы тока и дугового зазора для начального периода плавки. После наведения жидкой ванны металла на поддоне переходят на рабочий режим плавки. A consumable electrode, which is an ingot of the first remelting, is loaded into a mold of a vacuum arc furnace. After loading and centering the electrode, it is connected to the electrode holder. The furnace is evacuated, the power source is turned on. Sets the value of the current strength and arc gap for the initial melting period. After directing a liquid bath of metal on the pallet, they switch to the operating mode of melting.

Для получения качественного слитка необходимо миновать неблагоприятные диапазоны сил тока, при которых высока вероятность формирования ликвационных дефектов. Основной период плавки в достаточной степени должен представлять собой квазистационарный процесс, сопровождающийся равенством скоростей плавки и кристаллизации. Соответственно, для нормального течения основного периода плавки необходима стабильность электрического режима и устойчивость величины задаваемого дугового зазора. Методом математического моделирования (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2018660961) рассчитаны оптимальные значения силы тока для основного периода плавки указанного сплава. Основной период плавки ведут при силе токе дуги, составляющей 9-11 кА, что позволяет снизить степень образования ликвационных дефектов по причине уменьшения междендритных расстояний в структуре выплавляемого слитка.To obtain a high-quality ingot, it is necessary to bypass the unfavorable current ranges, at which the likelihood of the formation of liquation defects is high. The main smelting period should sufficiently represent a quasi-stationary process, accompanied by the equality of the rates of smelting and crystallization. Accordingly, for the normal flow of the main melting period, the stability of the electrical mode and the stability of the value of the set arc gap are required. Using the method of mathematical modeling (certificate of state registration of the computer program No. 2018660961), the optimal values of the current strength for the main period of melting of the specified alloy are calculated. The main period of melting is carried out at an arc current of 9-11 kA, which makes it possible to reduce the degree of formation of liquation defects due to a decrease in interdendritic distances in the structure of the ingot being melted.

Одним из основных параметров управления вакуумной дуговой плавкой является дуговой зазор, т.е. длина дуги между расходуемым электродом и выплавляемым слитком.One of the main parameters for controlling vacuum arc melting is the arc gap, i.e. the length of the arc between the consumable electrode and the ingot being melted.

Переплав сплава Вт3-1 с выбранной силой тока дуги целесообразно осуществлять с интервалом дугового зазора 8-14 мм. Эта величина позволяет сформировать плоский торец расходуемого электрода, что повышает точность контроля положения электрода при плавке. Кроме того, целесообразность выбора интервала указанного зазора определена исходя из следующих условий:It is advisable to remelt the VT3-1 alloy with the selected arc current with an arc gap interval of 8-14 mm. This value makes it possible to form a flat end of the consumable electrode, which increases the accuracy of control of the electrode position during melting. In addition, the advisability of choosing the interval of the specified gap is determined based on the following conditions:

- стабилизируется горение дуги за счет уменьшения искривления линий тока и повышения симметричности растекания тока по лунке жидкого металла слитка;- the burning of the arc is stabilized by reducing the curvature of the streamlines and increasing the symmetry of the spreading of the current over the hole of the liquid metal of the ingot;

- заданный дуговой зазор позволяет уменьшить размер «короны» (гарнисажа, образующегося выше уровня ванны жидкого металла и состоящего из застывших капель металла) и снизить вероятность ее падения в ванну;- a given arc gap allows to reduce the size of the "crown" (a skull formed above the level of the bath of liquid metal and consisting of solidified drops of metal) and reduce the likelihood of it falling into the bath;

- при превышении величины дугового зазора над значением кольцевого зазора, являющегося расстоянием между боковой поверхностью электрода и боковой стенкой кристаллизатора, высока вероятность перебрасывания дуги на стенку изложницы и возникновения аварийной ситуации.- if the value of the arc gap exceeds the value of the annular gap, which is the distance between the side surface of the electrode and the side wall of the mold, there is a high probability of throwing the arc onto the wall of the mold and an emergency.

В известных решениях для контроля дугового зазора осуществляют постоянное измерение напряжения на дуге, по его изменению определяют местоположение электрода и, соответственно, величину дугового зазора, а в случае необходимости - корректировку зазора. Известные решения обеспечивают точность поддержания дугового зазора в пределах не менее ±5 мм.In the known solutions to control the arc gap, a constant measurement of the arc voltage is carried out, the position of the electrode and, accordingly, the value of the arc gap are determined by its change, and, if necessary, the gap is corrected. The known solutions ensure the accuracy of maintaining the arc gap within at least ± 5 mm.

Однако для решения технической задачи в предлагаемом изобретении, учитывая требуемый диапазон дугового зазора, данная точность является неприемлемой. Поэтому авторами изобретения предложено осуществлять контроль и поддержание дугового зазора ±0,5мм при помощи вольт-линейной характеристики, представленной в виде аппроксимирующей зависимости дугового зазора от напряжения на дуге и установленной в результате серии экспериментов.However, to solve the technical problem in the proposed invention, given the required range of arc gap, this accuracy is unacceptable. Therefore, the authors of the invention proposed to control and maintain the arc gap of ± 0.5 mm using the voltage-linear characteristic, presented in the form of an approximating dependence of the arc gap on the arc voltage and established as a result of a series of experiments.

В процессе плавки регулятор сравнивает величину фактического дугового зазора с пороговыми значениями. При отклонении величины дугового зазора от заданной формируется управляющий сигнал, поступающий на привод электрододержателя, и осуществляется корректировка управления перемещения расходуемого электрода.During the melting process, the controller compares the actual arc gap with the threshold values. When the value of the arc gap deviates from the specified one, a control signal is generated, which is fed to the drive of the electrode holder, and the control of the movement of the consumable electrode is adjusted.

Промышленная применимость изобретения подтверждается примером конкретного его выполнения.The industrial applicability of the invention is confirmed by an example of its specific implementation.

Для изготовления кованых биллетов из сплава ВТ 3-1 диаметром 155 мм выплавляли слиток массой 4000 кг методом двойного вакуумно-дугового переплава. Плавку осуществляли в вакуумной дуговой электрической печи ДТВ-8,7-Г10. Первому переплаву подвергали прессованный расходуемый электрод с получением литого расходуемого электрода. Второй переплав проводили следующим образом. Литой электрод загружали в кристаллизатор диаметром 770 мм и устанавливали в электрододержатель. Между торцом расходуемого электрода и поддоном возбуждали электрическую дугу. Далее производили прогрев нижнего торца и задавали ток дуги до рабочей величины 10 кА, после чего осуществляли основной период плавки в рабочем режиме.For the manufacture of forged billets from the VT 3-1 alloy with a diameter of 155 mm, an ingot with a mass of 4000 kg was smelted by the method of double vacuum arc remelting. Melting was carried out in a vacuum electric arc furnace DTV-8.7-G10. A compressed consumable electrode was subjected to a first remelting to form a cast consumable electrode. The second remelting was carried out as follows. The cast electrode was loaded into a crystallizer with a diameter of 770 mm and installed in an electrode holder. An electric arc was struck between the end face of the consumable electrode and the tray. Next, the bottom end was heated and the arc current was set to a working value of 10 kA, after which the main melting period was carried out in the operating mode.

Во время рабочего режима регулирование дугового зазора осуществляли посредством управляющего сигнала с использованием вольт-линейной характеристики дуги и корректировки скорости движения плавящегося электрода. Во время основного периода плавки дуговой зазор находился в интервале 8-13 мм. Далее переходили к режиму выведения усадочной раковины. После окончания плавки и остывания слитка осуществляли вскрытие печи. В результате получен слиток диаметром 770 мм с химическим составом, указанным в табл. 1. Химический состав слитка соответствует требованиям нормативной документации.During the operating mode, the regulation of the arc gap was carried out by means of a control signal using the voltage-linear characteristic of the arc and adjusting the speed of movement of the consumable electrode. During the main melting period, the arc gap was in the range of 8-13 mm. Then we switched to the mode of removing the shrinkage cavity. After the end of melting and cooling of the ingot, the furnace was opened. As a result, an ingot with a diameter of 770 mm was obtained with the chemical composition indicated in table. 1. The chemical composition of the ingot meets the requirements of regulatory documents.

Из слитка методами обработки давлением изготовлены биллеты диаметром 155 мм в количестве 10 штук. На полученных биллетах производили отделочные операции, резку на готовый размер, отбор образцов, испытания механических свойств и исследование структуры. Полученные результаты исследования изготовленных биллетов приведены в таблицах 2, 3, 4.

From the ingot by means of pressure treatment, billets with a diameter of 155 mm in the amount of 10 pieces were made. The resulting billets were used for finishing operations, cutting to the finished size, sampling, testing of mechanical properties and research of the structure. The obtained results of the study of the manufactured billets are shown in tables 2, 3, 4.

Нумерацию биллетов начинали по порядку расположения от низа слитка. В таблице 2 приведены значения температуры полиморфного превращения, определенной металлографическим способом. В таблице 3 представлены показатели оценки макроструктуры поперечного сечения биллетов. В таблице 4 приведены результаты контроля структуры материала биллетов на наличие β-флеков в исходном состоянии после деформации и после термической обработки. Дополнительно на биллетах определен химический состав материала для оценки однородности распределения химических элементов по высоте в зонах, соответствующих зонам слитка. Для этого были отобраны пробы от всех биллетов в 3 зонах (центр поперечного сечения,

радиуса поперечного сечения биллета, периферия поперечного сечения биллета). Результаты контроля однородности распределения химических элементов приведены на фиг. 1, 2, 3. Контроль показал высокий уровень однородности распределения по сечению и расположению биллетов. Показатели качества биллетов в полной мере соответствуют требованиям нормативной документации. The numbering of the billets began in the order of their location from the bottom of the ingot. Table 2 shows the values of the temperature of polymorphic transformation, determined by metallographic method. Table 3 shows the indicators for evaluating the macrostructure of the cross-section of billets. Table 4 shows the results of controlling the structure of the billet material for the presence of β-flakes in the initial state after deformation and after heat treatment. Additionally, the chemical composition of the material was determined on the billets to assess the uniformity of the distribution of chemical elements along the height in the zones corresponding to the zones of the ingot. For this, samples were taken from all billets in 3 zones (the center of the cross section,

the radius of the cross-section of the billet, the periphery of the cross-section of the billet). The results of monitoring the uniformity of the distribution of chemical elements are shown in Fig. 1, 2, 3. The control showed a high level of uniformity of distribution over the section and arrangement of billets. Billet quality indicators fully comply with the requirements of regulatory documents.

Таким образом, предлагаемый способ, по сравнению с известными, позволяет осуществлять получение крупногабаритных слитков из титанового сплава марки ВТ3-1 без ликвационных дефектов.Thus, the proposed method, in comparison with the known, allows for the production of large-sized ingots from titanium alloy VT3-1 grade without segregation defects.

Claims (2)

1. Способ вакуумного дугового переплава слитков из титанового сплава марки ВТ3-1, включающий окончательный переплав расходуемого электрода, состоящий из начального периода плавки, основного периода плавки и окончания процесса плавления - выведения усадочной раковины, отличающийся тем, что основной период плавки ведут при силе тока дуги от 9 до 11 кА и установленном дуговом зазоре 8-14 мм, поддерживаемом с точностью ±0,5 мм.1. The method of vacuum arc remelting of ingots made of titanium alloy VT3-1 grade, including the final remelting of the consumable electrode, consisting of the initial melting period, the main melting period and the end of the melting process - removing the shrinkage cavity, characterized in that the main melting period is carried out at current strength arcs from 9 to 11 kA and an established arc gap of 8-14 mm, maintained with an accuracy of ± 0.5 mm. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при вакуумном дуговом переплаве получают слиток диаметром до 770 мм.2. A method according to claim 1, characterized in that an ingot with a diameter of up to 770 mm is obtained during vacuum arc remelting.

Images