Cinque metodi di fusione per le leghe di titanio

Cinque metodi di fusione per le leghe di titanio

I metodi di fusione delle leghe di titanio sono generalmente suddivisi in: 1. Metodo di fusione del forno ad arco consumabile sotto vuoto; 2. Metodo di fusione in forno ad arco sotto vuoto non consumabile; 3. Metodo di fusione a letto di forno freddo; 4. Metodo di fusione a crogiolo freddo; 5. Cinque metodi di fusione elettrica delle scorie.

1. Metodo di fusione del forno ad arco consumabile sotto vuoto (Metodo VAR in breve)

Con lo sviluppo della tecnologia del vuoto e l'applicazione dei computer, Il metodo VAR è diventato rapidamente una tecnologia di produzione industriale matura per il titanio. Oggi, la stragrande maggioranza dei lingotti di titanio e delle sue leghe viene prodotta utilizzando questo metodo. Le caratteristiche significative del metodo VAR sono il basso consumo energetico, elevata velocità di fusione, e riproducibilità di buona qualità. I lingotti fusi con il metodo VAR hanno una buona struttura cristallina e una composizione chimica uniforme. Generalmente, i lingotti finiti devono essere fusi utilizzando il metodo VAR e sottoposti ad almeno due processi di rifusione. Il metodo VAR viene utilizzato per produrre lingotti di titanio, e i processi utilizzati dai produttori di tutto il mondo sono sostanzialmente simili, con la differenza che è l'uso di diversi metodi e attrezzature per la preparazione degli elettrodi. La preparazione degli elettrodi può essere divisa in tre categorie: Primo, utilizzando elettrodi integrali che vengono pressati continuamente aggiungendo materiali in lotti, esclusi i processi di saldatura ad elettrodo; secondo, pressatura e giunzione di elettrodi singoli in elettrodi consumabili. E saldati insieme mediante saldatura ad arco al plasma di argon o saldatura sotto vuoto; Il terzo consiste nell'utilizzare altri metodi di fusione per preparare gli elettrodi di fusione.

Le caratteristiche tecniche ed i vantaggi dei moderni forni VAR avanzati:

(1) Ingresso di potenza completamente coassiale, che si riferisce alla completa coassialità dell'intera altezza del forno, si chiama alimentatore coassiale, ridurre il verificarsi del fenomeno della segregazione;

(2) La calibrazione elettrica all'interno del crogiolo può essere regolata con precisione nella direzione dell'asse X/asse Y;

(3) Dotato di un preciso sistema di pesatura degli elettrodi, la velocità di fusione è controllata automaticamente, raggiungere una velocità di fusione costante e garantire la qualità della fusione;

(4) Garantire la ripetibilità e la coerenza di ogni processo di fusione;

(5) La flessibilità si riferisce alla capacità di un forno di produrre più tipi di lingotti e alla produzione di lingotti su larga scala, che può migliorare significativamente la produttività;

(6) Ha una buona redditività economica. IL “alimentazione coassiale” Questo metodo può evitare dispersioni magnetiche causate da un'alimentazione di corrente sbilanciata al crogiolo, indebolire o eliminare gli effetti negativi dei campi magnetici indotti sui prodotti fusi, e migliorare l'efficienza elettrica, ottenendo così lingotti di qualità stabile. Lo scopo di “fusione a velocità costante” è quello di migliorare la qualità dei lingotti, utilizzando avanzati sistemi di controllo elettronico e sensori di peso per garantire una lunghezza dell'arco e una velocità di fusione costanti durante il processo di fusione, controllando così il processo di solidificazione. Può prevenire efficacemente la segregazione e garantire la qualità intrinseca del lingotto.

Oltre alle due caratteristiche precedenti, anche i moderni forni VAR per la fusione del titanio hanno raggiunto la produzione su larga scala di forni VAR. I moderni forni VAR possono fondere lingotti di grandi dimensioni con un diametro di 1,5 m e un peso di 32 t.

Il metodo VAR è un metodo di fusione industriale che rappresenta uno standard moderno per il titanio e le leghe di titanio. Ma ci sono ancora le seguenti tecnologie che devono essere affrontate:

Innanzitutto, il metodo di preparazione degli elettrodi. Il processo di preparazione degli elettrodi è molto complicato, richiedendo l'uso di costose presse per comprimere la spugna di titanio, leghe intermedie, e restituiva i materiali residui in elettrodi integrali o singole piccole piastre elettriche. Anche i singoli elettrodi devono essere saldati in elettrodi consumabili. Allo stesso tempo, al fine di garantire l'uniformità dei componenti consumabili degli elettrodi, strutture corrispondenti come il tessuto, pesatura, e la miscelazione devono essere configurate.

In secondo luogo, difetti metallurgici occasionali come la segregazione, come la segregazione compositiva e la segregazione di solidificazione.

Il primo è causato dalla distribuzione non uniforme delle impurità o degli elementi di lega nell'elettrodo, che solidifica prima di raggiungere la distribuzione di equilibrio durante la fusione; Quest'ultimo è dovuto all'occasionale introduzione di inclusioni ad alta densità (ISU) e inclusioni a bassa densità (LDI) nelle materie prime o nel processo, che non può essere completamente sciolto durante il processo di fusione, con conseguente produzione di difetti metallurgici altamente pericolosi come le inclusioni.

2. Metodo di fusione in forno ad arco sotto vuoto non consumabile (semplificato come metodo NC)

Attualmente, Gli elettrodi di rame raffreddati ad acqua hanno sostituito l'elettrodo di tungsteno e torio o l'elettrodo di grafite nella fase iniziale dell'industria del titanio, risolvendo il problema dell'inquinamento industriale e rendendo il metodo NC un metodo importante per la fusione del titanio e della lega di titanio. In Europa e in America sono in funzione forni NC da diverse tonnellate.

Esistono due tipi di elettrodi di rame raffreddati ad acqua: uno è autorotante; Un altro tipo è un campo magnetico rotante, che ha lo scopo di prevenire la bruciatura degli elettrodi causata da archi elettrici.

Anche i forni NC possono essere suddivisi in due tipologie: uno consiste nel fondere le materie prime in un crogiolo di rame raffreddato ad acqua e colarle in lingotti in uno stampo di rame raffreddato ad acqua; Un altro metodo consiste nell'alimentare continuamente le materie prime in un crogiolo di rame raffreddato ad acqua per la fusione e la solidificazione.

I vantaggi del metodo di fusione NC sono: ① Può eliminare i processi di pressatura degli elettrodi e degli elettrodi di saldatura; ② Può far sì che l'arco rimanga sul materiale per un periodo di tempo più lungo, migliorando così l'uniformità della composizione del lingotto; ③ È possibile utilizzare diverse forme e dimensioni delle materie prime, E 100% materiali residui possono essere aggiunti durante il processo di fusione per ottenere il riciclaggio del titanio.

Il metodo NC, come processo di fusione, è molto vantaggioso in termini di miglioramento del tasso di recupero dei materiali residui e di riduzione dei costi. Generalmente, I forni NC e i forni VAR vengono utilizzati insieme per sfruttare appieno i rispettivi vantaggi.

3. Metodo di fusione a letto di forno freddo (denominato metodo CHM)

I difetti di inclusione metallurgica nei lingotti di titanio e leghe di titanio causati dall'inquinamento delle materie prime e dai processi di fusione anomali hanno influenzato l'applicazione del titanio e delle leghe di titanio nel campo aerospaziale. Per eliminare inclusioni metallurgiche nelle parti rotanti dei motori aeronautici in lega di titanio, è stata introdotta la tecnologia di fusione a focolare freddo.

La caratteristica più importante del metodo CHM è la separazione della fusione, raffinazione, e processi di solidificazione. Questo è, il materiale fuso del forno entra prima nel letto del forno Ling per la fusione, quindi entra nella zona di raffinazione del letto del forno freddo per la raffinazione, ed infine solidifica in lingotti nella zona di cristallizzazione. Il vantaggio significativo della tecnologia CHM è che può formare un guscio condensato sulla parete del letto del forno freddo, e il suo “zona viscosa” può catturare inclusioni ad alta densità (ISU) come il WC, Mo, Di fronte, ecc. Allo stesso tempo, nella zona di precisione, il tempo di residenza delle inclusioni a bassa densità (LDI) particelle nel liquido ad alta temperatura è prolungata, che può garantire la completa dissoluzione dell'LDI e rimuovere efficacemente i difetti di inclusione. Vale a dire, il meccanismo di purificazione della fusione a letto del forno freddo può essere suddiviso in due tipi: separazione a gravità specifica e separazione per fusione.

3.1 Fusione a letto freddo con fascio di elettroni (EBCHM) Fusione con fascio di elettroni (EB) è un processo che utilizza l'energia degli elettroni ad alta velocità per generare calore nel materiale stesso per la fusione e la raffinazione. Il forno EB a letto freddo si chiama EBCHM. Il metodo EBCHM possiede ottime funzionalità che i metodi di fusione tradizionali non possiedono:

(1) Rimuove efficacemente le inclusioni ad alta densità (ISU) come il tantalio, molibdeno, tungsteno, carburo di tungsteno, e nitruro di titanio. Inclusioni a bassa densità (LDI) come l'ossido di titanio;

(2) Sono accettabili metodi di alimentazione multipli, ed il recupero dei residui di titanio è relativamente facile. Anche se è possibile utilizzare materiali di scarto che non possono essere utilizzati con altri metodi di fusione, è ancora possibile produrre lingotti di titanio puro, riducendo notevolmente il costo del prodotto;

(3) Può essere campionato direttamente, analizzato, e testato dal metallo liquido;

(4) Può produrre lingotti di forma irregolare, ridurre i processi produttivi, minor consumo di materie prime, e migliorare la resa del prodotto;

Il metodo EBCHM presenta inoltre i seguenti inconvenienti:

(1) La fusione deve essere effettuata in condizioni di alto vuoto, quindi la spugna di titanio con un alto contenuto di cloruro non può essere fusa direttamente;

(2) Gli elementi di lega sono volatili e la loro composizione chimica è difficile da controllare.

3.2 Metodo di fusione a letto freddo al plasma (Metodo del tubo PCHM)

Il metodo PCHM utilizza come fonte di calore l'arco plasma generato dalla ionizzazione del gas inerte, e può completare la fusione in un ampio intervallo di pressioni, dal basso vuoto alla pressione quasi atmosferica. La caratteristica significativa di questo metodo è che può garantire la composizione di leghe con diverse pressioni di vapore, e non c'è alcuna differenza evidente durante il processo di fusione. Questo metodo ha la capacità di fornire proprietà metalliche tradizionali migliorate e può ottenere la fusione di leghe diversificate. È un metodo di fusione economico rispetto ai metodi di fusione tradizionali. Utilizzando questo metodo per la fusione, i lingotti ideali possono essere ottenuti in un processo di fusione per titanio e leghe di titanio. I vantaggi del moderno metodo PCHM sono:

① Basso investimento in attrezzature, funzionamento facile, sicuro e affidabile;

② È possibile utilizzare diversi tipi e forme di materie prime, con elevato tasso di recupero del materiale residuo;

③ Garantire la composizione chimica delle leghe diversificate;

④ Sono stati raggiunti i costosi riciclo e riutilizzo dei gas inerti, riducendo i costi di produzione.

Lo svantaggio del metodo PCHM è la bassa efficienza elettrica. La somiglianza tra EBCHM e PCHM risiede nella loro capacità di eliminare HDI e LDI. Il primo è generalmente più adatto alla fusione del titanio puro; Per le leghe, quest'ultimo è più adatto. Come il metodo VAR, i due metodi precedenti consentono di ottenere un controllo dell'automazione dei processi su larga scala, compresi i parametri di processo (velocità di fusione, distribuzione della temperatura durante i processi di fusione e solidificazione, cambiamenti nella composizione durante la fusione, grado di rimozione delle inclusioni insolubili, ecc.) e qualità.

4. Metodo di fusione a crogiolo freddo (Metodo CCM in breve)

Negli anni '80, l'azienda americana di ferrosilicio ha sviluppato una tecnologia di fusione ad induzione senza scorie, spingendo il metodo CCM verso applicazioni di produzione industriale per la produzione di lingotti di titanio e fusioni di precisione. Negli ultimi anni, in alcuni paesi economicamente sviluppati, il metodo CCM ha iniziato ad entrare nella scala della produzione industriale, con il diametro massimo dei lingotti pari a 1 me la lunghezza pari a 2 m, e le sue prospettive di sviluppo sono notevoli. Il processo di fusione del CCM viene effettuato in un crogiolo metallico composto da blocchi arcuati o tubi di rame non conduttivi raffreddati ad acqua. Il più grande vantaggio di questa combinazione è che lo spazio tra ogni due blocchi è un campo magnetico potenziato, e la forte agitazione generata dal campo magnetico rende la composizione chimica e la temperatura coerenti, migliorando così la qualità del prodotto. Il metodo CCM unisce le caratteristiche del metodo VAR e della fusione ad induzione di materiali refrattari in crogioli. Non richiede materiali refrattari o elettrodi per ottenere lingotti di alta qualità con composizione uniforme e nessuna contaminazione del crogiolo in un unico processo di fusione. Rispetto al metodo VAR, Il metodo CCM presenta i vantaggi di un basso costo delle apparecchiature e di un funzionamento semplice, ma dalla prospettiva attuale, questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo.

5. Metodo di fusione dell'elettroscoria (Metodo ESR in breve)

Il metodo ESR converte l'energia elettrica in energia termica utilizzando la collisione di particelle cariche quando la corrente passa attraverso scorie conduttive. Il calore generato dalla resistenza delle scorie viene utilizzato per fondere e affinare il materiale del forno. Il metodo ESR utilizza elettrodi consumabili per la fusione dell'elettroscoria in scorie non attive (CaF2), che può essere fuso direttamente in lingotti della stessa forma e ha una buona qualità superficiale, adatto per la lavorazione diretta nel processo successivo. I vantaggi di questa legge sono:

(1) La completa coassialità del forno ESR garantisce la ripetibilità dei lingotti della migliore qualità;

(2) Cristallizzazione assiale dei lingotti, con struttura densa ed uniforme;

(3) Un sistema di pesatura degli elettrodi altamente accurato e un sistema di controllo della velocità di fusione;

(4) L'attrezzatura è semplice e facile da usare. Lo svantaggio è che non può scaricare l'inquinamento delle scorie sul lingotto.