Характеристика шихты для выплавки слитков первичных титановых сплавов

Шихтовыми материалами для выплавки слитков титановых сплавов являются губчатый титан, легирующие элементы в виде чистых металлов или лигатур и отходы титановых сплавов (кусковые, листовая обрезь, стружка).

Основным компонентом шихты является губчатый титан. Для выплавки серийных сплавов применяется губка марок ТГ-90, ТТ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130 и ТГ-150 (цифры в марке губки обозначают твердость по Бринеллю выплавленного из нее образца). Таким образом, основным критерием сортности губки является твердость, величина которой прямо пропорциональна содержанию в ней примесей. Чем выше твердость губчатого титана, тем больше в нем примесей, тем ниже его качество и качество выплавленного из него литого металла.

В качестве легирующих элементов в титановых сплавах используют алюминий (альфа-стабилизатор), марганец, молибден, ванадий, хром, кремний, железо (бета-стабилизаторы), цирконий и олово (нейтральные упрочнители). Легирование обеспечивает титановым сплавам более высокую прочность (без снижения пластических характеристик), жаропрочность и жаростойкость, коррозионную стойкость и другие специальные свойства в зависимости от системы легирования сплава.

Шихтовка титановых сплавов на чистых сырьевых материалах относительно проста. Кроме губчатого титана, вводят легирующие элементы по расчету на заданные пределы по химическому составу. Губку подбирают такой, чтобы получилась требуемая прочность сплава с учетом упрочнения за счет легирования и повышения содержания газов при плавке.

Третьим компонентом шихты являются отходы. Однако не любые отходы могут быть вовлечены в шихту для выплавки слитков, а только качественные. Качество отходов определяется степенью их загрязнения примесями внедрения, в первую очередь кислородом.

Понятие качества положено в основу классификации титановых отходов, которые условно подразделяют на кондиционные и некондиционные. К кондиционным относят отходы, которые после соответствующей подготовки (или без нее) могут быть использованы в шихте для выплавки слитков титановых сплавов. К некондиционным относят отходы, которые загрязнены кислородом по всему сечению или большей его части, а также смешанные по маркам сплавов отходы. При существующих методах подготовки отходов к плавке некондиционные отходы не могут быть переплавлены в металл, соответствующий требованиям, предъявляемым ГОСТ к серийным титановым сплавам. В настоящее время кондиционные отходы составляют 60...65% от общей массы образующихся отходов. Совершенствование технологий плавки и обработки титана позволит использовать в шихте отходы, ранее считавшиеся некондиционными. Большие резервы в увеличении выхода кондици­онных титановых отходов имеются также в упорядочении системы сбора, хранения и транспортировки отходов.

В соответствии с ГОСТ 1639-93 "Лом и отходы цветных металлов и сплавов" отходы титана и титановых сплавов по физическим признакам делятся на 4 класса: А - лом и кусковые отходы, Б - стружка, 3 - листовая обрезь, Г - прочие отходы. Классы, в зависимости от химического состава, разделены на группы: I - титан чистый (нелегированный), II - сплавы титановые, легированные любыми компонентами, кроме олова, III - сплавы титановые, легированные оловом, а группы, по показателям качества, на сорта (табл. 1).

Таблица 1

Для металлургических предприятий, изготавливающих слитки титановых сплавов, обрабатываемых давлением, могут быть предназначены для использования в шихте следующие отходы:

класс А - группы I, II, III - сорта 1, 1а, 2, 3;

класс Б - группы I, И, III - сорта 1,1а;

класс З - группы I, Н, III - сорта 1,2, 2а, 2б, 3.

Таким образом, отходы, отвечающие требованиям вышеуказанных классов, групп и сортов, являются кондиционными. В этом моменте происходит стыковка двух систем классификации титановых отходов: качественной (на кондиционные и некондиционные) и количественной (по ГОСТ 1639- 93).

Шихтовка сплавов при использовании отходов более сложна. При постоянном введении в шихту некоторой доли отходов растет содержание кислорода в слитках, что приводит к повышению прочности сплава. Вопросы повышения содержания примесей в слитках при вовлечении отходов различных видов и система расчета шихты рассматриваются ниже.

На практике за критерий качества укрупненных видов отходов удобно принимать упрочнение сплавов, обусловленное использованием в шихте отходов с повышенным содержанием кислорода, поскольку предел прочности титана и его сплавов линейно связан с содержанием в них кислорода в интервале его концентрации 0, 05... 0, 35%.

За коэффициент упрочнения К для данного вида отходов численно принимается разница величин (взятая с обратным знаком) пределов прочности исходного слитка, выплавленного из шихты, не содержащей отходы (т.н. основной металл), и слитка, выплавленного только из этого вида отходов, образованных от исходного слитка (рис. 1)

Рисунок 1. Схема переработки металла

(1)

где - предел прочности основного металла;

- предел прочности металла, выплавленного из отходов.

По классам отходов усредненные значения коэффициентов упрочне­ния равны, МПа (кгс/мм²) [3,4]:

стружка 196 (20)

листовая обрезь 98 (10)

кусковые отходы галтованные (размер 60x60x60 мм) 78 (8)

кусковые отходы галтованные и травленные

(размер 150x100x100 мм) 59 (6)

По физической сущности значения коэффициентов упрочнения опрделяются содержанием в отходах кислорода, которое зависит от отношения площади поверхности к массе отходов. Так, наиболее загрязненной кислоро­дом является стружка из-за ее большой удельной поверхности, значительно меньше - листовая обрезь и менее всего - кусковые отходы.

Величину К расчетным путем можно определить по выражению:

(2)

где - предел прочности губчатого титана, используемого для выплавки слитков различных сплавов без добавления в шихту отходов, или, иными словами, марка губчатого титана, установленная технологическими инструкциями для выплавки каждого титанового сплава;

и - прирост концентрации кислорода в слитке за счет вво­димых в шихту отходов и переплава шихты соответственно.

Исходя из оптимальных свойств полуфабрикатов установлены следующие расчетные пределы прочности губки , применяемой для выплавки различных серийных сплавов, МПа (кгс/мм²) [3]: ВТЗ-1, ОТ4, ВТ5 - 471(48); ВТ5-1-452(46); ВТ1-1, ОТ4-1, ВТ6 - 432(44); ВТ8 - 422(43); ВТ14 - 392(40).

Хотя приведенные значения коэффициентов упрочнения являются приближенными, тем не менее они успешно используются для расчетов шихты с вовлечением в нее отходов.