НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона

Березос

Володимир Олександрович

УДК 669.187.526

Розробка обладнання та технології отримання порожнистих зливків великого діаметру з титанових сплавів методом електронно-променевої плавки

Спеціальність 05.16.07

“Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів”

АВТОРЕФЕРАТ

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2006

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, с.н.с.

Тригуб Микола Петрович

Інститут електрозварювання
ім. Є.О. Патона НАН України,
завідувач відділом

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с.
Помарін Юрій Михайлович

Інститут електрозварювання
ім. Є.О. Патона НАН України,
провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук

Литвиненко Олександр Віталійович

ВАТ “Головний спеціалізований конструкторсько-технологічний інститут”, головний інженер проекту

Провідна установа: Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “ 19 ” квітня 2006 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою 03680, Київ-150, ГСП, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою 03680, Київ-150,
вул. Боженка, 11.

Автореферат розіслано “ 10 ” березня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Киреєв Л.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зменшення відходів металу і зниження виробничих витрат є одним з основних завдань розробок в області спеціальної електрометалургії. При сучасному стані техніки і технології якнайповніше відповідають цим вимогам впровадження прогресивних методів плавки сплавів в сферу виробництва початкових заготовок і, в першу чергу, для таких виробів, де найбільш великі відходи металу і витрати по переробці.

Порожнисті круглі заготовки різних розмірів і складу можуть бути використані на таких переробах, де нині застосовують звичайний круглий зливок, катану або квадратну заготовку. Це, в першу чергу, різні типи трубопрокатних агрегатів.

Трубопрокатне виробництво є основним споживачем порожнистої трубної заготовки, яке використовує заздалегідь деформовану заготовку, ковану або катану. Для виробництва безшовних труб на пілігрімових станах в якості початкової заготовки в даний час використовують звичайні круглі зливки.

Така технологічна стадія як прошивка викликає додаткові втрати металу при виробництві труб і збільшує питомі капітальні витрати. Виключення з технологічної схеми прошивки зливків дозволяє поліпшити якість продукції, підвищити продуктивність станів у порівнянні з традиційною схемою.

Сучасний розвиток техніки, технології буріння і експлуатації нафтових і газових свердловин висуває підвищені вимоги до матеріалу труб та їх якості. Титан і його сплави володіють поєднанням високих механічних властивостей, корозійної стійкості і щільності. Сплави титану стійкі в агресивних середовищах, таких як сірководень, морська вода. Титанові сплави порівняно легко піддаються обробці тиском як в гарячому так і в холодному стані. Трубопрокатна промисловість освоїла виробництво гарячекатаних труб із титанових сплавів діаметром до 0.5 м. Основною перешкодою до застосування титанових труб для нафто- і газодобувної промисловості є їх висока вартість.

Порожнисті заготовки з титанових сплавів традиційно одержують або механічною обробкою катаних прутків, або пресовою прошивкою циліндричних зливків, які виплавлені за допомогою ВДП і пройшли попередню механічну обробку. При цьому пластична обробка трудомістка і вимагає утримання значного парку ковально-пресового устаткування. Механічна обробка, як зливка ВДП, так і трубної заготовки, призводить до значних втрат металу (до 15%).

Останнім часом було здійснено низку успішних спроб застосування для виробництва титанових труб зливків електронно-променевої плавки з проміжною ємністю (ЕППЄ). Якість одержаних труб з металу ЕППЄ, відповідає вимогам стандартів. Водночас, використання зливків ЕППЄ суцільного перетину не виключає прошивки із технологічного процесу отримання труб.

Кардинально новим підходом у виробництві трубної заготовки, з погляду економії матеріалу і скорочення технологічних операцій, є виплавка порожнистих зливків з титанових сплавів методом ЕППЄ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися в Інституті електрозварювання ім. Е.О. Патона НАН України відповідно до планів науково-дослідних робіт в рамках теми 1.6.1.58/33 “Розробка наукових основ отримання товстостінних труб великого діаметру з титанових сплавів методами електронно-променевих технологій”.

Метою дисертації є розробка обладнання і технології отримання порожнистих зливків із титана та його сплавів методом ЕППЄ і визначення оптимальних технологічних режимів їх виробництва в електронно-променевих установках.

Відповідно до зазначеної мети були поставлені наступні основні завдання:

1. Дослідити процеси теплопередачі в порожнистих зливках при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю.

2. Визначити оптимальні умови кристалізації порожнистих зливків титанових сплавів.

3. Дослідити процеси рафінування при плавці порожнистих титанових зливків методом ЕППЄ.

4. Розробити технологію виробництва порожнистих зливків великого діаметру із титанових сплавів методом ЕППЄ.

Наукова новизна роботи полягає у наступному:

Вперше визначено температурне поле для порожнистого зливка титанового сплаву Ti-6Al-4V Ш600/200 мм в процесі електронно-променевої плавки з урахуванням двох охолоджувальних поверхонь.

Визначено залежність глибини рідкої ванни і зони двофазового стану від швидкості плавки для порожнистого зливка великого діаметра, що отримується методом ЕППЄ. Встановлено, що для порожнистого зливка титанового сплаву Ti-6Al-4V Ш600/200 мм існує критична швидкість плавки - 150 кг/год, вище за яку утворюється глибока (більше 20 мм) ванна рідкого металу.

Вперше визначено оптимальні умови кристалізації порожнистого зливка титанового сплаву Ti-6Al-4V Ш600/200 мм (потужність рівномірного електронно-променевого нагріву вільної поверхні зливка 120 кВт, продуктивність плавки 140 кг/год), що гарантують отримання в зливку гомогенної рівновісної структури.

Визначено залежність зміни концентрації водню та алюмінію в порожнистому зливку від продуктивності процесу при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю з урахуванням зменшення поверхні випаровування в кристалізаторі. Встановлено, що в широкому діапазоні продуктивності плавки (від 50 до 250 кг/год) вміст водню в порожнистих зливках відповідає вимогам стандартів для марочних сплавів титану.

Практичне значення роботи.

Вперше розроблено ресурсозберігаючу технологію отримання порожнистих зливків методом ЕППЄ для виготовлення великогабаритних титанових труб.

Результати досліджень технологічних особливостей отримання порожнистих зливків великого діаметра (600 мм) із титанових сплавів дозволили визначити оптимальні технологічні режими їх виробництва методом ЕППЄ.

Вперше в світі за розробленою технологією отримано великогабаритний порожнистий зливок масою більше 2000 кг із титанового сплаву ВТ6 (Ti-6Al-4V) методом електронно-променевої плавки з проміжною ємністю.

Запропоновано перспективні технологічні схеми отримання порожнистих зливків великого (до 1.5 м) діаметру завдовжки до 24 м з титанових сплавів в електронно-променевих установках в умовах вакууму, що дозволяють значно скоротити кількість технологічних операцій і підвищити вихід придатного.

Особистий внесок автора. У дисертаційній роботі постановка завдань дослідження, вибір наукових підходів для їх вирішення, моделювання процесів формування порожнистого зливка титанових сплавів при ЕППЄ, розробка технології і створення устаткування для отримання трубної заготовки за допомогою ЕППЄ, підготовки і проведення експериментів, обробки їх результатів, формулювання висновків, підготовки публікацій за результатами досліджень проводилися за безпосередньою участю автора.

Також автор особисто проводив експериментальні плавки з отримання порожнистого титанового зливка з титанового сплаву ВТ6 (Ti-6Al-4V) методом електронно-променевої плавки з проміжною ємністю.

Особистий внесок у роботах, опублікованих у співавторстві:

[1,2,3,6] - встановлено залежності теплового стану порожнистого зливка від технологічних параметрів електронно-променевої плавки з проміжною ємністю. [4,5] - визначено оптимальні технологічні режими виплавки порожнистих зливків, які забезпечують формування гомогенної рівновісної структури при гарантованому хімічному складі.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи доповідалися і обговорювалися:

на II Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців „Зварка і споріднені технології”, м. Ворзель, Україна, 25-27 червня 2003 р.

на III Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців „Зварка і споріднені технології”, м. Ворзель, Україна, 25-27 травня 2005 р.

на III Міжнародній конференції „Ti -2005 у СНД”, м. Київ, Україна, 22-25 травня 2005 р.

Публікації. За темою даної дисертації опубліковано 6 статей.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел. Дисертація має загальний об'єм 128 сторінок машинописного тексту, включаючи 9 таблиць, 34 рисунка на 16 сторінках і список літератури з 100 найменувань на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи і визначено основні завдання дослідження, описано об'єкт і методи дослідження, викладено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів з урахуванням особистого внеску автора.

У першому розділі викладено загальні відомості про класифікацію і технологічну схему виробництва труб з титану і його сплавів. Розглянуто способи отримання порожнистих зливків. Проведено огляд науково-дослідних робіт в області технології виробництва безперервнолитих порожнистих зливків різних розмірів і хімічного складу, призначених для виготовлення безшовних труб.

Усі відомі на даний момент способи отримання порожнистих металевих зливків можна умовно розподілити на дві основні групи, які розрізняються за умовами тепловідведення і формування фронтів твердіння - двосторонніх і односторонніх. Схема з двостороннім твердінням є переважною, оскільки забезпечує вищі швидкості охолодження металу і, відповідно, більш дисперсну структуру зливка.

Іншими авторами проводилися дослідження з вивчення процесів кристалізації і рафінування для титанових зливків суцільного перетину, проте у разі порожнистого зливка, у зв'язку зі зміною режимів нагріву, зміною геометрії нагріву поверхні зливка, а також продуктивності плавки, необхідне проведення додаткових досліджень в даній області.

Другий розділ присвячений опису використаних у роботі матеріалів, устаткування, методик проведення експериментів і досліджень.

В якості модельного сплаву в роботі було використано титановий сплав ВТ6.

Для проведення експериментальних досліджень з виплавки порожнистих зливків була використана багатоцільова електронно-променева установка УЕ-182М (рис.1).

Для отримання порожнистого зливка застосовували мідний водоохолоджуваний кристалізатор 1 з внутрішнім діаметром 600 мм (рис.2) і вертикально переміщуваним піддоном 4, в центрі якого розташовувався мідний водоохолоджуваний дорн 2 Ш?200 мм ?на штоку. Технологія виплавки порожнистого зливка із сплаву ВТ6 (Ti-6Al-4V) зовнішнім діаметром 600 мм і внутрішнім 200 мм полягала в наступному. В установку завантажували початкову шихту із технічно чистого титану з додаванням технічно чистих алюмінію і ванадію в кількості, необхідній для отримання порожнистого зливка необхідного хімічного складу і компенсації втрат алюмінію на випаровування. Після завантаження установку вакуумували до необхідного рівня залишкового тиску. Потім шихтову заготовку сплавляли в проміжну ємність електронним променем. У проміжній ємності метал рафінується і усереднюється за хімічним складом, після чого зливається в кристалізатор за допомогою електронного променя.

Обігрів порожнистого зливка в кристалізаторі проводився електронними променями таким чином, що енергія променя W1 обігрівала поверхню порожнистого зливка навколо дорну W2 - поверхню зливка, що контактує з робочою поверхнею кристалізатора, а W3 - центральну частину поверхні зливка (рис.3). У кінці плавки проводилося виведення усадки шляхом поступового зниження потужності обігріву верхнього торця порожнистого зливка в кристалізаторі. Одержаний порожнистий зливок був досліджений методом УЗК на наявність внутрішніх дефектів. Від одержаного порожнистого зливка були відібрані темплети, зразки металу для металографічних досліджень і механічних випробувань. Структура порожнистого зливка була виявлена на темплетах шляхом травлення.

У третьому розділі запропоновано математичну модель перенесення тепла у порожнистому зливку, який формується, при електронно-променевій переплавці з проміжною ємністю. Встановлено залежність умов кристалізації титанового зливка від потужності і конфігурації електронно-променевого нагріву і продуктивності плавки. Розраховано режими електронно-променевого нагріву зливка з внутрішнім діаметром 200 і зовнішнім діаметром 600 мм титанового сплаву Ti-6Al-4V, які дозволяють досягти при плавці твердо-рідкого стану поверхні зливка, сприяючого утворенню в зливку гомогенної рівновісної структури.

Математична модель теплових процесів в зливках при ЕППЄ розроблена в ІЕЗ ім. Є.О.Патона під керівництвом Д.А.Козлитіна. Основою моделі є рівняння теплопровідності Фур'є для поля температур зливка, що формується. Для визначення оптимальних теплофізичних умов формування зливка були проведені розрахунки в рамках математичної моделі теплових процесів в циліндричному зливку, адаптованої для порожнистого зливка (рис.3).

У використаній математичній моделі рідкий метал зливається в кристалізатор порціями, а зливок витягується періодично. Поверхня зливка обігрівається трьома електронними променями. У математичній моделі контрольованими технологічними параметрами є: потужності променів W1,W2 і W3, періодичність заливки ?, висота порції, що одночасно зливається в кристалізатор h, величина зсуву периферійного променя від центру на стінку кристалізатора d.

Процес перенесення тепла описується рівнянням теплопровідності в циліндровій системі координат () для випадку вісьової симетрії. Вісь системи координат співпадає з віссю зливка (вісь симетрії), а вісь - з радіальним напрямом. Початок координат заданий на нижній основі зливка.

Рівняння теплопровідності в цьому випадку приймає вигляд:

де с - питома теплоємність (Дж/К кг), ??- щільність (кг/м3), л - коефіцієнт теплопровідності (Вт/м К) R1 і R2 - зовнішній і внутрішній радіуси зливка (м), s(t) - поточна висота зливка (м).

При цьому гранична умова на внутрішній поверхні зливка - теплообмін із стінкою дорну. Залежно від того, в якому відношенні знаходиться температура поверхні зливка з деякою критичною температурою (при якій поверхня зливка відділяється від стінки кристалізатора), теплообмін зливка з дорном здійснюється за різними законами.

При - за законом Стефана-Больцмана:

де, - ступінь чорноти, - постійна Стефана-Больцмана (Вт/м2К4), Тср - температура стінки кристалізатора (К).

При - за законом Ньютона-Ріхмана:

де - коефіцієнт теплопередачі (Вт/м2К) між зливком і кристалізатором.

Задача розв'язувалась чисельно за допомогою методу кінцевих різниць. Розрахунки проводилися для титанового сплаву Ti-6Al-4V при виплавці зливка з внутрішнім діаметром 200 і зовнішнім діаметром 600 мм. За незмінні технологічні параметри були прийняті такі: ??= 180 с, h = 0.006 м, d = 0.015 м. В результаті розрахунків в рамках описаної моделі отримано поля температур в порожнистому зливку. Шляхом зміни величини енергії, яка передається електронними променями вільній поверхні зливка, одержано чотири режими плавки: з наявністю глибокої ванни рідкого металу на поверхні зливка, дрібної ванни, твердо-рідкого стану поверхні і твердого стану поверхні. Були знайдені потужності обігріву центральної і периферійної зон поверхні зливка, відповідні режимам (1…4) (табл.1).

При цьому питома потужність розподілялася по поверхні зливка як показано на рис.4. Досліджено залежність теплового стану зливка при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю від продуктивності плавки. При розрахунках були використані такі технологічні параметри процесу ЕППЄ: потужність електронного променя, який використовувався для центрального

Таблиця 1

Режими електронно-променевого нагріву поверхні порожнистого зливка 200/600 мм Ti-6Al-4V у кристалізаторі.

№ | Режим | Потужність (центр), W3, кВт

1 | Глибока ванна | 150

2 | Дрібна ванна | 120

3 | Твердо-рідка торцева поверхня | 100

4 | Тверда торцева поверхня | 70

обігріву W3 - 120 кВт, потужність електронних променів, які використовувались для периферійного обігріву W1 - 25 кВт, W2 - 40 кВт. При цьому висоту порції h, що заливається в кристалізатор, змінювали в межах 3...12 мм, що відповідає продуктивності плавки 70...280 кг/год. Одержано температурні поля зливка для ЕППЄ різної продуктивності.

В результаті проведених розрахунків в якості оптимального був обраний розподіл потужності електронних променів у кристалізаторі (рис.4), який забезпечує дрібну рідку ванну на всій поверхні зливка (рис.5) при швидкості плавки рівної 100 кг/год, періодичності заливки порцій рідкого металу - 3 хв. Такий розподіл гарантує рівномірне розтікання порцій рідкого металу, що заливається і практично плоский фронт кристалізації, який сприяє виникненню в зливку гомогенної структури з рівновісних зерен.

У четвертому розділі встановлено залежність ефективності рафінування від технологічних параметрів плавки і физико-хімічних властивостей металу, що переплавляється при плавці з проміжною ємністю.

Для вивчення закономірностей процесів рафінування титану від водню при ЕППЄ порожнистих зливків використовували відому математичну модель десорбції водню при виплавці методом ЕППЄ суцільних зливків. При цьому були внесені поправки в математичну модель на наявність дорну, який формує внутрішню поверхню зливка. Побудована на основі матеріального балансу водню в трьох зонах рафінування металу (оплавляємий торець витратної заготовки, а також ванни рідкого металу в проміжній ємності та в кристалізаторі) математична модель встановлює залежність ефективності рафінування від технологічних параметрів плавки і кінетичних констант водню в титані.

Розрахунки за математичною моделлю для порожнистого зливка дозволили встановити залежність ефективності рафінування титану від водню при ЕППЄ при різних швидкостях плавки (рис. 6).

Аналіз отриманих залежностей показує, що ступінь рафінування монотонно зростає при зменшенні швидкості плавки. Це обумовлено збільшенням часу витримки рідкого металу у вакуумі. Встановлено, що рафінування металу при отриманні порожнистих зливків підкоряється тим же закономірностям, які встановлено при отриманні зливків суцільного перетину. Таким чином, проведений аналіз видалення водню при ЕППЄ порожнистих зливків показав, що необхідний рівень вмісту водню в зливках забезпечується в широкому діапазоні значень технологічних параметрів, і оптимізацію технологічного процесу слід здійснювати з погляду забезпечення структури порожнистого зливка і собівартості його виробництва.

Для вивчення закономірностей процесів випаровування алюмінію з титану при ЕППЄ була використана відома математична модель процесу випаровування легуючих елементів при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю, при цьому, для випадку порожнистого зливка в математичну модель були внесені поправки на зміну площі поверхні ванни рідкого металу в кристалізаторі. Розрахунки за математичною моделлю для порожнистого зливка дозволили встановити залежність вмісту алюмінію в титані при ЕППЄ від швидкості плавки при різній потужності нагріву в кристалізаторі (рис. 7). Як видно з рисунка, при потужності 160 кВт вміст алюмінію в металі відповідає вимогам стандартів в широкому діапазоні швидкостей плавки. Для потужності 210 кВт швидкість плавки повинна бути не менше 140 кг/год. Тому як оптимальна швидкість плавки порожнистого зливка з титанового сплаву Ti-6Al-4V, з погляду забезпечення необхідного рівня вмісту алюмінію, була обрана швидкість плавки рівна 140 кг/год.

У п'ятому розділі описано технологію отримання порожнистого зливка титану методом електронно-променевої плавки з проміжною ємністю. Досліджено якість порожнистих зливків, а також кілець отриманих із порожнистого зливка методом розкатки. Запропоновано перспективну схему отримання порожнистого зливка в електронно-променевій установці, а також, схему деформації порожнистого зливка у вакуумі в умовах його поверхневого нагріву.

З використанням розрахованого режиму електронно-променевого нагріву порожнистого зливка в кристалізаторі на електронно-променевій установці УЕ-182М були виплавлені дослідні порожнисті зливки титанового сплаву ВТ6 (Ti-6Al-4V) із зовнішнім діаметром 600 мм, внутрішнім - 200 мм і завдовжки 2 м (рис. 8). Зовнішня поверхня зливків була оплавлена електронним променем.

Отриманий в електронно-променевій установці з проміжною ємністю порожнистий зливок з титанового сплаву ВТ6 піддавали всебічним дослідженням для оцінки його хімічного складу, структури і механічних властивостей. Встановлено, що хімічний склад зливка відповідає марочному складу титанового сплаву ВТ6 (табл. 2). Вміст водню відповідає вимогам ГОСТу, що підтверджує дані розрахунків у рамках математичної моделі процесу видалення водню при ЕППЄ титанового порожнистого зливка.

Мінімальна глибина рідкої ванни на поверхні зливка в кристалізаторі при електронно-променевій плавці не впливає істотно на розподіл елементів в зливку. Позитивну роль відіграє проміжна ємність, в якій відбувається усереднювання хімічного складу сплаву. При періодичному зливі металу з проміжної ємності шари металу однакового хімічного складу з'єднуються один з одним. При цьому, за рахунок того, що температура поверхні зливка підтримується на рівні вище за лінію солідус, на межі

Таблиця 2

Розподіл легуючих елементів і домішок по довжині в порожнистому зливку 600/200мм з титанового сплаву ВТ6 одержаного методом ЕППЄ

Місце

відбору проб | Середнє значення концентрації елементів, % | Al | V | Fe | O | H | N | Верх | dвн. | 6.28 | 4.38 | 0.13 | 0.09 | 0.0007 | 0.011 | dзовн. | 6.35 | 4.37 | 0.15 | 0.09 | 0.0006 | 0.009 | Середина | dвн. | 6.41 | 4.40 | 0.16 | 0.07 | 0.0007 | 0.009 | dзовн. | 6.36 | 4.37 | 0.18 | 0.08 | 0.0007 | 0.01 | Низ | dвн. | 6.53 | 4.48 | 0.16 | 0.07 | 0.0007 | 0.011 | dзовн. | 6.48 | 4.47 | 0.16 | 0.07 | 0.0007 | 0.012 | ГОСТ 19807-91 | 5.36.8 | 3.55.3 | <0.30 | <0.15 | <0.015 | <0.04 |

сусідніх порцій металу в зливку не утворюються пори, незливини, шарувата структурна неоднорідність.

Для визначення можливих внутрішніх дефектів у вигляді неметалічних включеннь, порожнин і несуцільностей використовувався метод ультразвукової дефектоскопії, який показав, що в порожнистому титановому зливку відсутні дефекти у вигляді раковин і порожнин. Результати досліджень методом УЗК були підтверджені візуальними дослідженнями травленого фрагмента порожнистого зливка (рис.9).

Макроструктура зливка однорідна - така, що складається з рівновісних або небагато витягнутих за напрямом тепловідвода поліедричних ??зерен. У порожнистому зливку відсутні дефекти у вигляді раковин і порожнин. Мікроструктура порожнистого зливка з титанового сплаву ВТ6 представляє собою зерна ?фази? з правильними міжзеренними межами. Були проведені механічні випробування зразків, узятих уздовж діаметру зливка в його поперечному перетині.

Середні значення межі міцності уВ, межі текучості у0.2, відносного подовження д і поперечного звуження ш наведені в таблиці 3.

Для перевірки можливості отримання труб великого діаметру із порожнистого зливка було виготовлено розкатні кільця 1850 і 1415 з товщиною стінки 50мм, висотою 350мм (рис.10).

Таблиця 3

Механічні властивості порожнистого зливка з титанового сплаву ВТ6 600/200мм, одержаного за допомогою ЕППЄ.

Місце відбору зразка | уВ, МПа | у0.2, МПа | д, % | ш, % | KCV,

Дж/см2

верх | 847 | 837 | 7.3 | 29.0 | 40.0

середина | 867 | 846 | 8.0 | 27.0 | 39.0

низ | 850 | 842 | 7.0 | 28.3 | 35.0

Було досліджено механічні властивості прокатаного металу в невідпаленому стані. Механічні властивості досліджувались на стандартних зразках узятих уздовж і поперек проката. Середні значення механічних випробувань наведені в таблиці 4.

Таблиця 4

Механічні властивості проката

Властивості | уВ, МПа | у0.2, МПа | д, % | ш, % | KCV,

Дж/см2

вздовж прокату | 890 | 860 | 10 | 29 | 26.0

поперек прокату | 930 | 905 | 11 | 30 | 28.0

Візуальні дослідження обробленої поверхні показали якісну, бездефектну поверхню отриманих кілець. Виготовлені кільця відповідають вимогам
ОСТ 1.90084-80.

Для реалізації способу отримання титанових труб в промислових масштабах була розроблена електронно-променева установка УЕ-5810, яка не має аналогів в світі, призначена для виплавки порожнистих зливків титану максимальним діаметром 1200 мм, завдовжки 6000 мм (рис.11).

Розроблена технологія отримання порожнистих зливків є перспективною з точки зору розробки нових технологічних схем отримання труб із сплавів титану.

Запропоновано перспективний спосіб отримання порожнистих зливків в електронно-променевих установках з проміжною ємністю, що дозволяє повністю виключити дорн з технологічного процесу плавки (рис.12). Суть процесу полягає в тому, що плавка шихти ведеться в проміжну ємність, а процес формування порожнистого зливка відбувається в горизонтально розташованому циліндричному кристалізаторі. Одержаний порожнистий зливок витягується з кристалізатора за допомогою затравки. При цьому, враховуючи всі переваги електронно-променевої плавки з проміжною ємністю і використовуючи дану схему, в якості початкової шихти можна застосовувати блоки нероздробленої титанової губки, що дозволяє понизити собівартість і трудомісткість виготовлення порожнистих титанових зливків.

Дана схема дозволяє одержувати в установці УЕ5810 порожнисті зливки завдовжки 6000мм і діаметром 1200мм.

Процес призначений, в першу чергу, для отримання порожнистих зливків великого діаметру з активних металів і сплавів у плавильних вакуумних установках з незалежними джерелами нагріву, і дозволяє істотно знизити витрати на переробку, підвищити вихід придатного металу за рахунок зменшення кількості технологічних операцій (рис. 13).

ВИСНОВКИ.

1. Застосування для виробництва труб порожнистих зливків дозволяє підвищити продуктивність станів у порівнянні з традиційними методами гарячого пресування і гарячої прокатки, а також розширити сортамент за рахунок збільшення діаметру труби і включення в нього труб з високолегованих важкодеформуємих титанових сплавів.

2. Математична модель перенесення тепла у зливку при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю суцільних зливків була адаптована для випадку порожнистих. Встановлено залежність умов кристалізації титанового порожнистого зливка від потужності і конфігурації електронно-променевого нагріву і величини порцій рідкого металу. Розраховано режими електронно-променевого нагріву порожнистого зливка з внутрішнім діаметром 200 і зовнішнім діаметром 600 мм титанового сплаву Ti-6Al-4V, які дозволяють досягти при плавці твердо-рідкого стану поверхні порожнистого зливка, сприяючого виникненню в зливку гомогенної рівновісної структури.

3. Визначено залежність глибини рідкої ванни і зони двофазного стану від продуктивності процесу плавки порожнистого зливка. Встановлено, що існує критична продуктивність плавки (для зливка із зовнішнім діаметром 600 мм - 150 кг/год), при якій починає різко зростати глибина рідкофазної зони.

4. Математична модель процесу видалення водню з рідкого металу при ЕППЄ зливків суцільного перетину адаптована для порожнистого. Встановлено залежність ефективності рафінування від технологічних параметрів плавки і физико-хімічних властивостей металу, що переплавляється. Визначено, що при зміні продуктивності плавки в межах 50...400 кг/год вміст водню в зливку змінюється в межах 2...14 ppm., що відповідає вимогам ГОСТу.

5. Вперше в світовій практиці за розробленою технологією одержано методом ЕППЄ товстостінний (200 мм) порожнистий титановий зливок великого діаметру (600 мм). Технологія отримання титанових порожнистих зливків методом електронно-променевої плавки з проміжною ємністю і застосування електронно-променевого оплавлення їх поверхні дозволяє значно знизити витрату металу і скоротити кількість технологічних операцій.

6. Порожнисті зливки титанового сплаву ВТ6 (Ti-6Al-4V), одержані в електронно-променевій установці, відрізняються рівновісною структурою, не мають поверхневих і внутрішніх дефектів (дані УЗК). Хімічний склад зливків повністю задовольняє вимогам міжнародних стандартів.

7. Виготовлено розкатні кільця 1850 і 1415 з товщиною стінки 50мм, висотою 350мм, що підтверджує можливість виготовлення труб великого діаметра з порожнистого зливка. Якість отриманих кілець відповідає вимогам ОСТ 1.90084-80.

8. Розроблено електронно-променеву установку УЕ5810, оснащену аксіальними електронно-променевими гарматами “Патон-300”, призначену для виплавки порожнистих зливків титану зовнішнім діаметром більше 1 м з нероздроблених блоків губчастого титану.

9. Запропоновано перспективний новий спосіб отримання порожнистих зливків в електронно-променевих установках з проміжною ємністю, що дозволяє повністю виключити дорн з технологічного процесу плавки.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Тригуб Н.П., Жук Г.В., Ахонин С.В., Березос В.А. Электронно-лучевая технология получения трубных заготовок из сплава на основе циркония //Современная электрометаллургия. - 2004г. - №2. - С. 16-18.

Патон Б.Е., Тригуб Н.П., Жук Г.В., Ахонин С.В., Березос В.А. Получение полых титановых слитков методом ЭЛПЕ // Современная электрометаллургия. - 2004г. - №3. - С. 18-21.

Жук Г.В., Березос В.А., Тригуб Н.П. Прогнозирование структуры титановых слитков-слябов, получаемых способом ЭЛПЕ. // Современная электрометаллургия. - 2005г. - №3. - С. 28-31.

Тригуб Н.П., Ахонин С.В., Жук Г.В., Березос В.А., Варич И.Ю. Технология электронно-лучевого оплавления слитков высокореакционных и тугоплавких металлов // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2005г. - №5. - С.15-17.

Тригуб Н.П., Ахонин С.В., Жук Г.В., Березос В.А., Получение полых титановых слитков методом электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2005г. - №5. - С. 18-20.

Жук Г.В., Березос В.А., Северин А.Ю. Математическое моделирование тепловых процессов при ЭЛПЕ полых слитков // Современная электрометаллургия. - 2005г. - №4. - С. 20-22.

АНОТАЦІЯ

Березос В.О. Розробка устаткування і технології отримання порожнистих зливків великого діаметру з титанових сплавів методом електронно-променевої плавки.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.07 - Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів. - Інститут електрозварювання ім. Е.О.Патона НАН України, Київ, 2006 р.

Дисертація присвячена розробці устаткування і технології, а також перспективних технологічних схем виготовлення нового класу напівфабрикатів із сплавів титану - порожнистих зливків великого діаметру, які надалі можуть бути використані для отримання великогабаритних труб. У роботі визначені оптимальні умови кристалізації порожнистого зливка титанового сплаву Ti-6Al-4V 600/200???мм, встановлена залежність ефективності рафінування від водню і випаровування алюмінію від продуктивності плавки порожнистого зливка методом ЕППЄ. Розроблені оптимальні технологічні режими виробництва порожнистого зливка великого діаметру з титанового сплаву методом ЕППЄ. Вперше в світі за розробленою технологією одержаний великогабаритний порожнистий зливок масою більше 2000 кг з титанового сплаву ВТ6 (Ti-6Al-4V) методом електронно-променевої плавки з проміжною ємнітю.

Ключові слова: електронно-променева плавка, проміжна ємність, порожнистий зливок, математичне моделювання, кристалізація, рафінування, титанові сплави.

SUMMARY

V.A. Berezos – Elaboration of equipment and technology of large in diameter hollow ingots of titanium alloys via electron beam melting methods.-Manuscript

The thesis is submitted for the Candidate’s degree in engineering sciences, speciality 05.16.07 - Metallurgy of high-purity metals and special alloys. – The
E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

The thesis is devoted to scientific elaboration of equipment and technology as well as elaboration of prospective processes of manufacturing of the new class titanium alloys semimanufactures - large in diameter hollow ingots that can be further used for large dimension tubes manufacturing. The thesis presents optimal conditions for crystallization of hollow ingots - titanium alloy Ti-6Al-4V 600/200 mm. The dependence of effectiveness of hydrogen refining and of aluminium evaporation on productivity of hollow ingot melting via electron beam melting is established. Optimal technological regimes of manufacturing of large in diameter hollow titanium alloy ingot via electron beam melting are elaborated. For the first time in the world the elaborated technology is used to get a large dimension hollow ingot – mass 2000 kg, titanium alloy VT6 (Ti-6Al-4V) – via electron beam melting with a cold hearth.

Key-words: electron beam melting, hollow ingot, crystallization, mathematical modeling, cold hearth, refining, titanium alloys.

АННОТАЦИЯ

Березос В.А. Разработка оборудования и технологии получения полых слитков большого диаметра из титановых сплавов способом электронно-лучевой плавки.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.07 – Металлургия высокочистых металлов и специальных сплавов. – Институт электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины, Киев, 2006 г.

Диссертация посвящена разработке оборудования и технологии, а также технологических процессов изготовления нового класса полуфабрикатов из сплавов титана – полых слитков большого диаметра, которые в дальнейшем могут быть использованы для получения крупногабаритных труб. Потребность в таких коррозионностойких трубах заострилась на протяжении последнего десятилетия в связи с развитием прибрежной нефте- и газо добычей.

Оптимизирована математическая модель переноса тепла в слитках ЭЛПЕ для случая с наличием центрального дорна. Определена зависимость глубины жидкой ванны и зоны двухфазного состояния от производительности процесса плавки. Установлено, что для полого слитка титанового сплава Ti-6Al-4V Ш600/200 мм существует критическая производительность плавки – 150 кг/ч, выше которой образуется глубокая (более 20 мм) ванна жидкого металла. В соответствии с проведенными расчетами определены оптимальные условия кристаллизации полого слитка титанового сплава Ti-6Al-4V Ш600/200 мм (мощность равномерного электронно-лучевого нагрева свободной поверхности слитка 120 кВт, производительность плавки 150 кг/ч), гарантирующие получение в слитке гомогенной равноосной структуры.

Оптимизирована математическая модель процесса удаления водорода при электронно-лучевой плавке с промежуточной емкостью для полых слитков с учетом уменьшения поверхности испарения в кристаллизаторе. Определена зависимость эффективности рафинирования от производительности плавки. Установлено, что в широком диапазоне производительности плавки (от 50 до 250 кг/ч) содержание водорода и алюминия в полых слитках удовлетворяет требованиям стандартов для марочных сплавов титана.

Результаты исследований технологических особенностей получения полых слитков позволили разработать оптимальные технологические режимы производства полого слитка большого диаметра (600 мм) из титановых сплавов методом ЭЛПЕ. Впервые в мире по разработанной технологии получен крупногабаритный полый слиток массой более 2000 кг из титанового сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V) методом электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью. Технология получения титановых полых слитков методом электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью и применение электронно-лучевого оплавления их поверхности позволяет значительно снизить расход металла и сократить количество технологических операций. Для реализации способа получения титановых труб в промышленных масштабах была разработана электронно-лучевая установка УЭ5810, предназначенная для выплавки слитков титана максимальным диаметром 1200 мм, длиной 6000 мм.

С целью дальнейшего сокращения числа технологических операций и повышения выхода годного, предложен перспективный новый способ получения полых слитков в электронно-лучевых установках с промежуточной емкостью позволяющий полностью исключить дорн из технологического процесса плавки.

Ключевые слова: электронно-лучевая плавка, промежуточная емкость, полый слиток, математическое моделирование, кристаллизация, рафинирование, титановые сплавы.