Cinci metode de topire pentru aliajele de titan

Cinci metode de topire pentru aliajele de titan

Metodele de topire ale aliajelor de titan sunt în general împărțite în: 1. Metoda de topire a cuptorului cu arc consumabil în vid; 2. Metoda de topire a cuptorului cu arc în vid neconsumabil; 3. Metoda de topire în pat de cuptor rece; 4. Metoda de topire a creuzetului la rece; 5. Cinci metode de topire a zgurii electrice.

1. Metoda de topire a cuptorului cu arc consumabil în vid (Metoda VAR pe scurt)

Odată cu dezvoltarea tehnologiei vidului și aplicarea computerelor, Metoda VAR a devenit rapid o tehnologie de producție industrială matură pentru titan. Astăzi, marea majoritate a titanului și a lingourilor sale de aliaj sunt produse prin această metodă. Caracteristicile semnificative ale metodei VAR sunt consumul redus de energie, viteza mare de topire, și reproductibilitate de bună calitate. Lingourile topite prin metoda VAR au o structură cristalină bună și o compoziție chimică uniformă. De obicei, lingourile finite trebuie topite folosind metoda VAR și trebuie supuse cel puțin două procese de topire. Metoda VAR este utilizată pentru a produce lingouri de titan, iar procesele folosite de producătorii din întreaga lume sunt practic similare, cu diferența fiind utilizarea diferitelor metode și echipamente de preparare a electrozilor. Pregătirea electrozilor poate fi împărțită în trei categorii: primul, folosind electrozi integrali care sunt presați continuu prin adăugarea de materiale în loturi, excluzând procesele de sudare cu electrozi; doilea, presarea cu un singur electrod și îmbinare în electrozi consumabili. Și sudate împreună prin sudare cu arc cu plasmă cu argon sau sudare în vid; Al treilea este de a folosi alte metode de topire pentru a pregăti electrozii de turnare.

Caracteristicile tehnice și avantajele cuptoarelor moderne VAR avansate:

(1) Intrare de putere coaxială completă, care se referă la coaxialitatea completă a întregii înălţimi a cuptorului, se numește sursă de alimentare coaxială, reducerea apariţiei fenomenului de segregare;

(2) Calibrarea electrică din interiorul creuzetului poate fi reglată fin în direcția axa X/axa Y;

(3) Echipat cu un sistem precis de cântărire a electrozilor, viteza de topire este controlată automat, atingerea vitezei de topire constantă și asigurarea calității topirii;

(4) Asigurați repetabilitatea și consistența fiecărui proces de topire;

(5) Flexibilitatea se referă la capacitatea unui cuptor de a produce mai multe tipuri de lingouri și la producția la scară largă de lingouri, care poate îmbunătăți semnificativ productivitatea;

(6) Are viabilitate economică bună. The “alimentare coaxială” metoda poate evita scurgerile magnetice cauzate de alimentarea cu curent dezechilibrat la creuzet, să slăbească sau să elimine efectele adverse ale câmpurilor magnetice induse asupra produselor topite, și îmbunătățirea eficienței electrice, obţinându-se astfel lingouri de calitate stabilă. Scopul “topire cu viteza constanta” este de a îmbunătăți calitatea lingourilor, prin utilizarea sistemelor avansate de control electronic și a senzorilor de greutate pentru a asigura lungimea arcului și rata de topire constante în timpul procesului de topire, controlând astfel procesul de solidificare. Poate preveni eficient segregarea și poate asigura calitatea intrinsecă a lingoului.

Pe lângă cele două caracteristici de mai sus, cuptoarele VAR moderne pentru topirea titanului au realizat și producția pe scară largă de cuptoare VAR. Cuptoarele VAR moderne pot topi lingouri mari cu un diametru de 1,5 m și o greutate de 32 t.

Metoda VAR este o metodă industrială de topire care este un standard modern pentru titan și aliaje de titan. Dar există încă următoarele tehnologii care trebuie abordate:

În primul rând, metoda de preparare a electrozilor. Procesul de pregătire a electrodului este foarte complicat, necesitând folosirea unor prese scumpe pentru a comprima buretele de titan, aliaje intermediare, și a returnat materialele reziduale în electrozi integrali sau plăci electrice mici. Electrozii unici trebuie, de asemenea, sudați în electrozi consumabili. În același timp, pentru a asigura uniformitatea componentelor electrozilor consumabili, facilități corespunzătoare, cum ar fi țesătura, cântărind, și amestecarea trebuie configurată.

În al doilea rând, defecte metalurgice ocazionale precum segregarea, precum segregarea compozițională și segregarea prin solidificare.

Primul este cauzat de distribuția neuniformă a elementelor de impurități sau a elementelor de aliaj în electrod, care se solidifică înainte de a ajunge la distribuţia de echilibru în timpul topirii; Acesta din urmă se datorează introducerii ocazionale a incluziunilor de mare densitate (HDI) și incluziuni cu densitate scăzută (LDI) în materii prime sau proces, care nu se pot dizolva complet în timpul procesului de topire, rezultând în producerea de defecte metalurgice extrem de periculoase, cum ar fi incluziunile.

2. Metoda de topire a cuptorului cu arc în vid neconsumabil (simplificată ca metodă NC)

În prezent, electrozii de cupru răciți cu apă au înlocuit electrodul de tungsten toriu sau electrodul de grafit în etapa inițială a industriei titanului, rezolvarea problemei poluării industriale și transformarea metodei NC într-o metodă importantă pentru topirea titanului și a aliajelor de titan. Câteva tone de cuptoare NC au funcționat în Europa și America.

Există două tipuri de electrozi de cupru răciți cu apă: unul se rotește singur; Un alt tip este un câmp magnetic rotativ, care are ca scop prevenirea arderii electrozilor cauzate de arcurile electrice.

Cuptoarele NC pot fi, de asemenea, împărțite în două tipuri: una este să topești materiile prime într-un creuzet de cupru răcit cu apă și să le turnezi în lingouri într-o matriță de cupru răcită cu apă.; O altă metodă este de a alimenta continuu materii prime într-un creuzet de cupru răcit cu apă pentru topire și solidificare.

Avantajele metodei de topire NC sunt: ① Poate elimina procesele de presare a electrozilor și electrozilor de sudare; ② Poate face ca arcul să rămână pe material pentru o perioadă mai lungă de timp, îmbunătăţind astfel uniformitatea compoziţiei lingoului; ③ Pot fi utilizate diferite forme și dimensiuni de materii prime, şi 100% Materialele reziduale pot fi adăugate în timpul procesului de topire pentru a realiza reciclarea titanului.

Metoda NC, ca proces de topire, este destul de avantajos in ceea ce priveste imbunatatirea ratei de recuperare a materialelor reziduale si reducerea costurilor. De obicei, Cuptoarele NC și cuptoarele VAR sunt utilizate împreună pentru a valorifica pe deplin avantajele lor respective.

3. Metoda de topire în pat de cuptor rece (denumită metodă CHM)

Defectele de includere metalurgică în lingourile de titan și aliaje de titan cauzate de poluarea materiilor prime și de procesele anormale de topire au afectat aplicarea titanului și aliajelor de titan în domeniul aerospațial. Pentru a elimina incluziunile metalurgice din piesele rotative ale motoarelor de aeronave din aliaj de titan, cold hearth melting technology has been introduced.

The biggest feature of the CHM method is the separation of the melting, refining, and solidification processes. That is, the melted furnace material enters the Ling furnace bed for melting first, then enters the refining zone of the cold furnace bed for refining, and finally solidifies into ingots in the crystallization zone. The significant advantage of CHM technology is that it can form a condensed shell on the wall of the cold furnace bed, and its “viscous zone” can capture high-density inclusions (HDI) such as WC, Mo, Ta, etc. În același timp, in the precision zone, the residence time of low-density inclusions (LDI) particles in high-temperature liquid is prolonged, which can ensure the complete dissolution of LDI and effectively remove inclusion defects. That is to say, mecanismul de purificare al topirii în pat rece al cuptorului poate fi împărțit în două tipuri: separarea prin greutate specifică și separarea prin topire.

3.1 Topirea în pat rece cu fascicul de electroni (EBCHM) Topirea fasciculului de electroni (EB) este un proces care folosește energia electronilor de mare viteză pentru a genera căldură în materialul însuși pentru topire și rafinare. Cuptorul EB cu pat rece se numește EBCHM. Metoda EBCHM are funcții excelente pe care metodele tradiționale de topire nu le posedă:

(1) Îndepărtați eficient incluziunile de înaltă densitate (HDI) precum tantalul, molibden, tungsten, carbură de tungsten, și nitrură de titan. Incluziuni cu densitate scăzută (LDI) precum oxidul de titan;

(2) Sunt acceptate mai multe metode de hrănire, iar recuperarea reziduului de titan este relativ ușoară. Chiar dacă se pot folosi materiale reziduale care nu pot fi utilizate prin alte metode de topire, se mai pot produce lingouri de titan pur, reducând considerabil costul produsului;

(3) Poate fi eșantionat direct, analizate, și testat din metal lichid;

(4) Poate produce lingouri de formă neregulată, reduce procesele de producție, consum redus de materii prime, și îmbunătățirea randamentului produsului;

Metoda EBCHM are, de asemenea, următoarele dezavantaje:

(1) Topirea trebuie efectuată în condiții de vid înalt, astfel încât titanul burete cu conținut ridicat de clorură nu poate fi topit direct;

(2) Elementele din aliaj sunt volatile și dificil de controlat compoziția lor chimică.

3.2 Metoda de topire în pat rece cu plasmă (Metoda tubului PCHM)

Metoda PCHM utilizează ca sursă de căldură arcul de plasmă generat de ionizarea gazului inert, și poate finaliza topirea într-un interval larg de presiune, de la vid scăzut până la presiunea atmosferică apropiată. Caracteristica semnificativă a acestei metode este că poate asigura compoziția aliajelor cu diferite presiuni de vapori, și nu există nicio diferență evidentă în timpul procesului de topire. Această metodă are capacitatea de a oferi proprietăți tradiționale îmbunătățite ale metalului de masă și poate realiza topirea aliajelor diversificate. Este o metodă de topire economică în comparație cu metodele tradiționale de topire. Prin utilizarea acestei metode de topire, lingourile ideale pot fi obținute într-un singur proces de topire pentru titan și aliaje de titan. Avantajele metodei moderne PCHM sunt:

① Investiții reduse în echipamente, operare usoara, sigur și de încredere;

② Pot fi utilizate diferite tipuri și forme de materii prime, cu o rată mare de recuperare a materialului rezidual;

③ Asigurați compoziția chimică a aliajelor diversificate;

④ S-a realizat reciclarea și reutilizarea costisitoare a gazelor inerte, reducerea costurilor de producție.

Dezavantajul metodei PCHM este eficiența electrică scăzută. Asemănarea dintre EBCHM și PCHM constă în capacitatea lor de a elimina HDI și LDI. Primul este în general mai potrivit pentru topirea titanului pur; Pentru aliaje, acesta din urmă este mai potrivit. La fel ca metoda VAR, cele două metode de mai sus realizează controlul automatizării proceselor la scară largă, inclusiv parametrii procesului (viteza de topire, distribuția temperaturii în timpul proceselor de topire și solidificare, modificări ale compoziției în timpul topirii, gradul de îndepărtare a incluziunilor insolubile, etc.) si calitate.

4. Metoda de topire a creuzetului la rece (Metoda CCM pe scurt)

În anii 1980, compania americană de ferosiliciu a dezvoltat tehnologia de topire prin inducție fără zgură, împingând metoda CCM către aplicații de producție industrială pentru producția de lingouri de titan și piese turnate de precizie. În ultimii ani, în unele ţări dezvoltate economic, metoda CCM a început să intre pe scara producţiei industriale, cu diametrul maxim al lingourilor fiind de 1m iar lungimea fiind de 2m, iar perspectivele sale de dezvoltare sunt remarcabile. Procesul de topire CCM se desfășoară într-un creuzet metalic compus din blocuri neconductoare în formă de arc sau tuburi de cupru răcite cu apă.. Cel mai mare avantaj al acestei combinații este că decalajul dintre fiecare două blocuri este un câmp magnetic îmbunătățit, iar agitarea puternică generată de câmpul magnetic face ca compoziția chimică și temperatura să fie consistente, imbunatatind astfel calitatea produsului. Metoda CCM combină caracteristicile metodei VAR și topirea prin inducție a materialelor refractare în creuzete. Nu necesită materiale refractare sau electrozi pentru a obține lingouri de înaltă calitate, cu compoziție uniformă și fără contaminare a creuzetului într-un singur proces de topire. Comparativ cu metoda VAR, Metoda CCM are avantajele costului redus al echipamentului și exploatării ușoare, dar din perspectiva actuală, această tehnologie este încă în stadiu de dezvoltare.

5. Metoda de topire a zgurii electrice (Metoda ESR pe scurt)

Metoda ESR convertește energia electrică în energie termică utilizând ciocnirea particulelor încărcate atunci când curentul trece prin zgura conductivă. Căldura generată de rezistența zgurii este folosită pentru a topi și rafina materialul cuptorului. Metoda ESR folosește electrozi consumabili pentru topirea electrozgurii în zgură inactivă (CaF2), care poate fi topit direct în lingouri de aceeași formă și are o calitate bună a suprafeței, potrivite pentru prelucrare directă în procesul următor. Avantajele acestei legi sunt:

(1) Coaxialitatea completă a cuptorului ESR asigură repetabilitatea lingourilor de cea mai bună calitate;

(2) Cristalizarea axială a lingourilor, cu structura densa si uniforma;

(3) Un sistem de cântărire a electrozilor de mare precizie și un sistem de control al vitezei de topire;

(4) Echipamentul este simplu și ușor de operat. Dezavantajul este că nu poate evacua poluarea de zgură pe lingou.