способ электрошлакового литья шихтовых прутковых заготовок из отходов жаропрочных никелевых сплавов

Формула изобретения

1. Способ электрошлакового литья шихтовых прутковых заготовок из отходов жаропрочных никелевых сплавов, включающий наведение шлаковой ванны в тигле, плавление отходов жаропрочных никелевых сплавов, установку кокиля под тигель и заполнение его шлаком, перегретым на 250-300°С выше температуры ликвидус переплавляемых сплавов, и металлом, отличающийся тем, что шлак в процессе наведения и плавления отходов жаропрочных никелевых сплавов перегревают на 500-600°С выше температуры ликвидус переплавляемых сплавов, при этом заливку кокиля металлом осуществляют до достижения толщины жидкой шлаковой ванны над зеркалом металла 0,5-5,0 мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед плавкой на дно тигля дополнительно вводят 0,1-0,2% титана и 0,2-1,0% алюминия от массы переплавляемых отходов в виде расплава титан-алюминиевой лигатуры с содержанием алюминия не менее 62,7 мас.%.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при плавлении отходов жаропрочных никелевых сплавов в виде порошка или гранул наведение шлаковой ванны в тигле производят графитовым электродом, подачу отходов жаропрочных никелевых сплавов осуществляют через внутреннюю полость этого электрода, причем перед подачей отходы окисляют путем их нагрева на воздухе при температуре, меньшей тепературы солидус переплавляемых сплавов и большей температуры 400-800°С, в течение 0,5-4,0 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам переработки отходов жаропрочных никелевых сплавов в шихтовые прутковые заготовки посредством электрошлакового кокильного литья.

Известен способ электрошлакового литья шихтовых прутковых заготовок из отходов жаропрочных никелевых сплавов, включающий наведение шлаковой ванны в тигле, плавление отходов жаропрочных никелевых сплавов, установку кокиля под тигель и заполнение его шлаком, перегретым на 250-300°С выше температуры ликвидус переплавляемых сплавов, и металлом. (Электрошлаковая тигельная плавка и разливка металла. Под редакцией академика Б.Е.Платона, Киев, Наукова думка, 1988, с.107, рис.47(б)) (1).

Недостатком известного способа (1) является образование в структуре металла дефектов в виде карбонитных «кластеров», которые образуются из-за недостаточной температуры шлака и, как следствие, сплава, проходящего через шлак от электрода к жидкой металлической ванне. Кроме того, при литье узких и длинных заготовок, таких как прутковые заготовки, формируется относительно глубокая шлаковая ванна, предотвращающая теплоотвод с верхней поверхности расплава, в результате чего в верхней части отливок образуется усадочная раковина, и шлак попадает в кристаллизующийся металл, образуя шлакометаллическую структуру.

Из-за недостаточно высокой температуры шлака способ (1) не обеспечивает возможности переработки отходов в виде порошка или гранул, в которых содержание азота больше, чем в сплавляемых кусковых отходах.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышения качества отливок, получаемых из отходов жаропрочных никелевых сплавов, за счет повышения степени рафинирования металла и уменьшения вероятности образования шлакометаллической структуры в верхней части отливок, а также обеспечение возможности получения отливок из сыпучих отходов жаропрочных никелевых сплавов за счет обеспечения полной расплавляемости частиц порошка или гранул расплавляемого сплава.

Технический результат достигается тем, что в способе электрошлакового литья шихтовых прутковых заготовок из отходов жаропрочных никелевых сплавов, включающем наведение шлаковой ванны в тигле, плавление отходов жаропрочных никелевых сплавов, установку кокиля под тигель и заполнение его шлаком, перегретым на 250-300°С выше температуры ликвидус переплавляемых сплавов, и металлом, шлак в процессе наведения и плавления отходов жаропрочных никелевых сплавов перегревают на 500-600°С выше температуры ликвидус переплавляемых сплавов, при этом заливку кокиля металлом осуществляют до достижения толщины жидкой шлаковой ванны над зеркалом металла 0,5-5,0 мм.

Кроме того, перед плавкой на дно тигля дополнительно вводят 0,1-0,2% титана и 0,2-1,0% алюминия от массы переплавляемых отходов в виде расплава титан-алюминиевой лигатуры с содержанием алюминия не менее 62,7% (мас.), а при плавлении отходов жаропрочных никелевых сплавов в виде порошка или гранул наведение шлаковой ванны в тигле производят графитовым электродом, подачу отходов жаропрочных никелевых сплавов осуществляют через внутреннюю полость этого электрода, причем перед подачей отходы окисляют путем нагрева на воздухе при температуре, меньшей температуры солидус переплавляемых сплавов и большей температуры 400-800°С, в течение 0,5-4,0 часов.

Перегрев шлака в процессе его наведения и плавления отходов жаропрочных никелевых сплавов на 500-600°С выше температуры ликвидус переплавляемых сплавов способствует разложению карбонитридов и обеспечивает вывод из металла азотной составляющей.

Осуществление заливки кокиля металлом до достижения толщины жидкой шлаковой ванны над зеркалом металла 0,5-5,0 мм позволяет уменьшить вероятность попадания шлака в кристаллизующийся металл из-за более быстрого по сравнению с металлом застывания и образования корочки на поверхности металла. Диапазон допустимой толщины шлака получен экспериментальным путем и обусловлен необходимостью защиты металла от окисления, поэтому слой не должен быть меньше 0,5 мм, и необходимостью уменьшения попадания шлака в металл, поэтому толщина слоя не должна быть больше 5 мм.

Введение перед плавкой на дно тигля дополнительно алюминия и титана в виде расплава титан-алюминиевой лигатуры позволяет компенсировать в расплаве содержание алюминия и титана, выгоревших из-за высоких температур в результате плавления. Поскольку титан является тугоплавким металлом, для усвоения расплавляемым металлом его используют в композиции с легкоплавким алюминием. Композиция титан-алюминий выбирается таким образом, чтобы ее температура плавления была ниже температуры плавления подового электрода и, следовательно, переплавляемого сплава, и эти элементы полностью усваивались бы переплавляемым сплавом. Содержание алюминия в композиции должно составлять не менее 62,7% (мас.), поскольку при меньшем его количестве температура плавления лигатуры оказывается выше 1350°С, что соответствует температуре ликвидус переплавляемых сплавов.

Осуществление подачи отходов жаропрочных никелевых сплавов в виде порошка или гранул через внутреннюю полость графитового электрода обеспечивает полное расплавление частиц порошка или гранул ввиду их подачи непосредственно под электрод - зону самой высокой температуры.

Окисление отходов жаропрочных никелевых сплавов перед их подачей через электрод, например, путем их нагрева на воздухе при температуре, меньшей температуры солидус переплавляемых сплавов и большей температуры 400-800°С, в течение 0,5-4,0 часов, необходимо для того, чтобы защитить отходы в виде порошка или гранул от взаимодействия с графитом при их прохождении через внутреннюю полость электрода. При окислении образовавшиеся частицы, в основном окись алюминия или окись хрома, обеспечивают защиту от химического взаимодействия с графитом.

Способ электрошлакового литья шихтовых прутковых заготовок из отходов жаропрочных никелевых сплавов осуществляется следующим образом.

На дно керамического тигля помещают 0,1-0,2% титана и 0,2-1,0% алюминия от массы переплавляемых отходов в виде расплава титан-алюминиевой лигатуры с содержанием алюминия не менее 62,7% (мас.). Наводят шлаковую ванну, перегревая шлак на 500-600°С выше температуры ликвидус переплавляемых сплавов, после чего осуществляют плавление отходов из жаропрочных никелевых сплавов, предварительно сваренных в электрод при использовании кусковых отходов, или подавая их через внутреннюю полость графитового электрода при использовании сыпучих отходов в виде порошка или гранул. Если для переплава используют сыпучие отходы, то их перед подачей в электрод предварительно окисляют, например, путем их нагрева на воздухе при температуре, меньшей температуры солидус переплавляемых сплавов и большей температуры 400-800°С, в течение 0,5-4,0 часов.

На протяжении плавки металла температура шлака поддерживается в пределах 1850-1950°С. При такой температуре шлака в проходящем через него металле разлагаются карбонитриды. Выделившийся в результате разложения азот, поднимаясь вверх, выводится из металла, тем самым повышая степень его рафинирования. Частично выгоревшие из металла титан и алюминий компенсируются за счет усваивания расплавленным металлом, дополнительно добавленным перед плавкой расплава титан-алюминиевой лигатуры.

По окончании процесса под тиглем устанавливают кокиль, куда сливается шлак, перегретый на 250-300°С выше температуры ликвидус переплавляемых сплавов (порядка 1500-1600°С), и расплавленный металл, который, вытесняя шлак, заполняет собою кокиль. Заполнение кокиля металлом продолжается до тех пор, пока толщина жидкой шлаковой ванны над зеркалом металла не составит 0,5-5,0 мм. В результате такого заполнения шлак, застывающий раньше, чем кристаллизующийся металл, не успевая попасть в металл, образует на его поверхности тонкую корочку, достаточную для защиты металла от окисления.

Предлагаемый способ позволяет получить качественные отливки шихтовых прутковых заготовок из отходов жаропрочных никелевых сплавов, используя как кусковое сырье, так и сыпучее сырье в виде порошка или гранул, с высокой степенью рафинирования металла и отсутствием шлакометаллической структуры в верхней части отливок.