Fünf Schmelzmethoden für Titanlegierungen

Fünf Schmelzmethoden für Titanlegierungen

The melting methods of titanium alloys are generally divided into: 1. Vacuum consumable arc furnace melting method; 2. Non consumable vacuum arc furnace melting method; 3. Cold furnace bed melting method; 4. Cold crucible melting method; 5. Five methods of electric slag melting.

1. Vacuum consumable arc furnace melting method (VAR method for short)

With the development of vacuum technology and the application of computers, VAR method quickly became a mature industrial production technology for titanium. Heute, the vast majority of titanium and its alloy ingots are produced using this method. The significant characteristics of VAR method are low power consumption, high melting speed, and good quality reproducibility. The ingots melted by VAR method have good crystalline structure and uniform chemical composition. Usually, Fertige Barren sollten mit der VAR-Methode geschmolzen und mindestens zwei Umschmelzvorgängen unterzogen werden. Zur Herstellung von Titanbarren wird das VAR-Verfahren verwendet, und die von Herstellern auf der ganzen Welt verwendeten Prozesse sind grundsätzlich ähnlich, Der Unterschied besteht in der Verwendung unterschiedlicher Methoden und Geräte zur Elektrodenvorbereitung. Die Elektrodenvorbereitung lässt sich in drei Kategorien einteilen: Erste, Verwendung integrierter Elektroden, die durch schubweise Zugabe von Materialien kontinuierlich gepresst werden, ausgenommen Elektrodenschweißverfahren; zweite, Einzelelektrodenpressen und -spleißen zu abschmelzbaren Elektroden. Und durch Plasma-Argon-Lichtbogenschweißen oder Vakuumschweißen zusammengeschweißt; Die dritte besteht darin, andere Schmelzmethoden zur Herstellung von Gusselektroden zu verwenden.

Die technischen Eigenschaften und Vorteile moderner, fortschrittlicher VAR-Öfen:

(1) Voller koaxialer Stromeingang, was sich auf die vollständige Koaxialität der gesamten Ofenhöhe bezieht, wird als koaxiale Stromversorgung bezeichnet, Verringerung des Auftretens von Segregationsphänomenen;

(2) Die elektrische Kalibrierung im Tiegel kann in X-Achsen-/Y-Achsen-Richtung fein eingestellt werden;

(3) Ausgestattet mit einem präzisen Elektrodenwiegesystem, Die Schmelzgeschwindigkeit wird automatisch gesteuert, Erzielung einer konstanten Schmelzgeschwindigkeit und Sicherstellung der Schmelzqualität;

(4) Stellen Sie die Wiederholbarkeit und Konsistenz jedes Schmelzprozesses sicher;

(5) Flexibilität bezieht sich auf die Fähigkeit eines Ofens, mehrere Barrentypen zu produzieren und die Produktion von Barren in großem Maßstab, was die Produktivität deutlich steigern kann;

(6) Hat eine gute wirtschaftliche Rentabilität. Der “koaxiales Netzteil” Mit dieser Methode können magnetische Leckagen vermieden werden, die durch eine unausgeglichene Stromversorgung des Tiegels verursacht werden, schwächen oder beseitigen Sie die nachteiligen Auswirkungen induzierter Magnetfelder auf geschmolzene Produkte, und die elektrische Effizienz verbessern, Dadurch erhält man Barren von stabiler Qualität. Der Zweck von “Schmelzen mit konstanter Geschwindigkeit” besteht darin, die Qualität der Barren zu verbessern, durch den Einsatz fortschrittlicher elektronischer Steuerungssysteme und Gewichtssensoren, um eine konstante Lichtbogenlänge und Schmelzrate während des Schmelzprozesses sicherzustellen, Dadurch wird der Erstarrungsprozess gesteuert. Es kann eine Entmischung wirksam verhindern und die intrinsische Qualität des Barrens sicherstellen.

Zusätzlich zu den oben genannten zwei Merkmalen, Moderne VAR-Öfen zum Schmelzen von Titan haben auch die Massenproduktion von VAR-Öfen erreicht. Moderne VAR-Öfen können große Barren mit einem Durchmesser von 1,5 m und einem Gewicht von 32 t schmelzen.

Das VAR-Verfahren ist ein industrielles Schmelzverfahren, das einen modernen Standard für Titan und Titanlegierungen darstellt. Es gibt jedoch noch die folgenden Technologien, die angegangen werden müssen:

Erstens, die Elektrodenvorbereitungsmethode. Der Elektrodenvorbereitungsprozess ist sehr kompliziert, erfordert den Einsatz teurer Pressen zum Komprimieren von Titanschwamm, Zwischenlegierungen, und Rückführung von Reststoffen in integrierte Elektroden oder einzelne kleine Elektroplatten. Einzelelektroden müssen auch in abschmelzende Elektroden eingeschweißt werden. Gleichzeitig, um die Gleichmäßigkeit der Verbrauchselektrodenkomponenten sicherzustellen, entsprechende Einrichtungen wie Stoff, Wiegen, und Mischen müssen konfiguriert werden.

Zweitens, gelegentliche metallurgische Defekte wie Entmischungen, wie Zusammensetzungssegregation und Erstarrungssegregation.

Ersteres wird durch die ungleichmäßige Verteilung von Verunreinigungselementen oder Legierungselementen in der Elektrode verursacht, das erstarrt, bevor beim Schmelzen eine Gleichgewichtsverteilung erreicht wird; Letzteres ist auf das gelegentliche Einbringen von Einschlüssen hoher Dichte zurückzuführen (HDI) und Einschlüsse geringer Dichte (LDI) in die Rohstoffe oder den Prozess, die beim Schmelzvorgang nicht vollständig aufgelöst werden können, Dies führt zur Entstehung äußerst gefährlicher metallurgischer Defekte wie Einschlüsse.

2. Non consumable vacuum arc furnace melting method (vereinfacht als NC-Methode)

Derzeit, Wassergekühlte Kupferelektroden haben in der Anfangsphase der Titanindustrie die Wolfram-Thorium-Elektrode oder die Graphitelektrode ersetzt, Lösung des Problems der industriellen Umweltverschmutzung und Entwicklung der NC-Methode zu einer wichtigen Methode zum Schmelzen von Titan und Titanlegierungen. Mehrere Tonnen schwere NC-Öfen sind in Europa und Amerika im Einsatz.

Es gibt zwei Arten wassergekühlter Kupferelektroden: einer dreht sich selbst; Ein anderer Typ ist ein rotierendes Magnetfeld, Ziel ist es, das Durchbrennen von Elektroden durch Lichtbögen zu verhindern.

NC-Öfen können ebenfalls in zwei Typen unterteilt werden: Eine besteht darin, Rohstoffe in einem wassergekühlten Kupfertiegel zu schmelzen und sie in einer wassergekühlten Kupferform zu Barren zu gießen; Eine andere Methode besteht darin, Rohstoffe kontinuierlich einem wassergekühlten Kupfertiegel zum Schmelzen und Erstarren zuzuführen.

Die Vorteile des NC-Schmelzverfahrens sind: ① Dadurch können die Prozesse des Pressens von Elektroden und Schweißen von Elektroden entfallen; ② Kann dazu führen, dass der Lichtbogen länger auf dem Material verbleibt, Dadurch wird die Gleichmäßigkeit der Barrenzusammensetzung verbessert; ③ Es können verschiedene Formen und Größen von Rohstoffen verwendet werden, Und 100% Reststoffe können während des Schmelzprozesses hinzugefügt werden, um eine Wiederverwertung von Titan zu erreichen.

Die NC-Methode, als Schmelzprozess, ist im Hinblick auf die Verbesserung der Rückgewinnungsrate von Reststoffen und die Reduzierung der Kosten von großem Vorteil. Usually, NC-Öfen und VAR-Öfen werden gemeinsam eingesetzt, um ihre jeweiligen Vorteile voll auszuschöpfen.

3. Cold furnace bed melting method (wird als CHM-Methode bezeichnet)

Die metallurgischen Einschlussdefekte in Titan- und Titanlegierungsbarren, die durch die Verschmutzung der Rohstoffe und abnormale Schmelzprozesse verursacht werden, beeinträchtigen die Anwendung von Titan und Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrt. Zur Beseitigung metallurgischer Einschlüsse in rotierenden Teilen von Flugzeugtriebwerken aus Titanlegierung, Die Technologie des Kaltherdschmelzens wurde eingeführt.

Das größte Merkmal der CHM-Methode ist die Trennung der Schmelze, verfeinern, und Erstarrungsprozesse. Das heißt, Das geschmolzene Ofenmaterial gelangt zunächst zum Schmelzen in das Ling-Ofenbett, Anschließend gelangt es zur Raffinierung in die Raffinationszone des kalten Ofenbetts, und erstarrt schließlich in der Kristallisationszone zu Barren. Der wesentliche Vorteil der CHM-Technologie besteht darin, dass sie eine kondensierte Hülle an der Wand des kalten Ofenbetts bilden kann, und es ist “viskose Zone” kann Einschlüsse hoher Dichte erfassen (HDI) wie WC, Mo, Gegenüber, usw. Gleichzeitig, im Präzisionsbereich, die Verweilzeit von Einschlüssen geringer Dichte (LDI) Partikel in Hochtemperaturflüssigkeit wird verlängert, Dies kann die vollständige Auflösung von LDI sicherstellen und Einschlussdefekte wirksam beseitigen. Das heißt, Der Reinigungsmechanismus des Kaltofenbettschmelzens kann in zwei Typen unterteilt werden: spezifische Gewichtstrennung und Schmelztrennung.

3.1 Elektronenstrahl-Kaltbettschmelzen (EBCHM) Elektronenstrahlschmelzen (EB) ist ein Prozess, der die Energie von Hochgeschwindigkeitselektronen nutzt, um im Material selbst Wärme zum Schmelzen und Raffinieren zu erzeugen. Der EB-Ofen mit kaltem Ofenbett wird EBCHM genannt. Die EBCHM-Methode verfügt über hervorragende Funktionen, die herkömmliche Schmelzmethoden nicht bieten:

(1) Entfernen Sie effektiv Einschlüsse mit hoher Dichte (HDI) wie Tantal, Molybdän, Wolfram, Wolframcarbid, und Titannitrid. Einschlüsse mit geringer Dichte (LDI) wie Titanoxid;

(2) Mehrere Fütterungsmethoden sind akzeptabel, und die Rückgewinnung von Titanrückständen ist relativ einfach. Auch wenn Abfallstoffe verwendet werden können, die durch andere Verhüttungsverfahren nicht verwertet werden können, pure titanium ingots can still be produced, greatly reducing the cost of the product;

(3) It can be directly sampled, analyzed, and tested from liquid metal;

(4) Can produce irregular shaped ingots, reduce production processes, lower raw material consumption, and improve product yield;

The EBCHM method also has the following drawbacks:

(1) Melting needs to be carried out under high vacuum conditions, so sponge titanium with high chloride content cannot be directly melted;

(2) Alloy elements are volatile and difficult to control their chemical composition.

3.2 Plasma Cold Bed Melting Method (PCHM Tube Method)

The PCHM method uses the plasma arc generated by inert gas ionization as a heat source, and can complete melting in a wide pressure range from low vacuum to near atmospheric pressure. Das wesentliche Merkmal dieser Methode besteht darin, dass sie die Zusammensetzung von Legierungen mit unterschiedlichen Dampfdrücken gewährleisten kann, und es gibt keinen offensichtlichen Unterschied während des Schmelzprozesses. Mit dieser Methode können die Eigenschaften traditioneller Tafelmetalle verbessert und das Schmelzen verschiedener Legierungen erreicht werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Schmelzmethoden handelt es sich um eine wirtschaftliche Schmelzmethode. Durch die Verwendung dieser Methode zum Schmelzen, Für Titan und Titanlegierungen lassen sich in einem Schmelzvorgang ideale Barren herstellen. Die Vorteile der modernen PCHM-Methode sind:

① Geringe Ausrüstungsinvestitionen, einfache Bedienung, sicher und zuverlässig;

② Es können verschiedene Arten und Formen von Rohstoffen verwendet werden, mit hoher Reststoffrückgewinnungsrate;

③ Stellen Sie die chemische Zusammensetzung verschiedener Legierungen sicher;

④ Das teure Recycling und die Wiederverwendung von Inertgasen wurde erreicht, Reduzierung der Produktionskosten.

Der Nachteil der PCHM-Methode ist der geringe elektrische Wirkungsgrad. Die Ähnlichkeit zwischen EBCHM und PCHM liegt in ihrer Fähigkeit, HDI und LDI zu eliminieren. Ersteres eignet sich im Allgemeinen besser zum Schmelzen von reinem Titan; Für Legierungen, Letzteres ist besser geeignet. Wie die VAR-Methode, Mit den beiden oben genannten Methoden wird eine umfassende Prozessautomatisierungssteuerung erreicht, inklusive Prozessparameter (Schmelzgeschwindigkeit, Temperaturverteilung bei Schmelz- und Erstarrungsprozessen, Veränderungen der Zusammensetzung beim Schmelzen, Grad der Entfernung unlöslicher Einschlüsse, usw.) und Qualität.

4. Cold crucible melting method (Kurz gesagt: CCM-Methode)

In den 1980er Jahren, Das amerikanische Ferrosilicium-Unternehmen entwickelte eine schlackenfreie Induktionsschmelztechnologie, Durchsetzung der CCM-Methode auf industrielle Produktionsanwendungen zur Herstellung von Titanbarren und Präzisionsgussteilen. In den letzten Jahren, in einigen wirtschaftlich entwickelten Ländern, Die CCM-Methode hat begonnen, in den industriellen Produktionsmaßstab Einzug zu halten, wobei der maximale Durchmesser der Barren 1 m und die Länge 2 m beträgt, und seine Entwicklungsaussichten sind bemerkenswert. Der CCM-Schmelzprozess wird in einem Metalltiegel durchgeführt, der aus nicht leitenden, wassergekühlten bogenförmigen Blöcken oder Kupferrohren besteht. Der größte Vorteil dieser Kombination besteht darin, dass der Spalt zwischen jeweils zwei Blöcken ein verstärktes Magnetfeld darstellt, und das starke Rühren, das durch das Magnetfeld erzeugt wird, sorgt dafür, dass die chemische Zusammensetzung und die Temperatur konsistent sind, Dadurch wird die Produktqualität verbessert. The CCM method combines the characteristics of VAR method and induction melting of refractory materials in crucibles. It does not require refractory materials or electrodes to obtain high-quality ingots with uniform composition and no crucible contamination in a single melting process. Compared with VAR method, CCM method has the advantages of low equipment cost and easy operation, but from the current perspective, this technology is still in the development stage.

5. Electroslag Melting Method (ESR Method for short)

The ESR method converts electrical energy into thermal energy by utilizing the collision of charged particles when current passes through conductive slag. The heat generated by the resistance of the slag is used to melt and refine the furnace material. Bei der ESR-Methode werden abschmelzende Elektroden zum Elektroschlackeschmelzen in inaktiver Schlacke verwendet (CaF2), das direkt zu Barren gleicher Form geschmolzen werden kann und eine gute Oberflächenqualität aufweist, geeignet für die direkte Verarbeitung im nächsten Prozess. Die Vorteile dieses Gesetzes sind:

(1) Die vollständige Koaxialität des ESR-Ofens gewährleistet die Wiederholbarkeit von Barren bester Qualität;

(2) Axiale Kristallisation von Barren, mit dichter und gleichmäßiger Struktur;

(3) Ein hochpräzises Elektrodenwiegesystem und Schmelzratenkontrollsystem;

(4) Das Gerät ist einfach und leicht zu bedienen. Der Nachteil besteht darin, dass die Schlackeverschmutzung auf dem Barren nicht entfernt werden kann.