§ 8. Производство компактного титана
Губчатый титан не пригоден для непосредственного использования в качестве конструкционного металла. Для этого титан нужно превратить в компактный материал. Получение компактного титана можно осуществить плавкой титановой губки или порошка или методом порошковой металлургии. Основным промышленным способом получения компактного титана в настоящее время является дуговая вакуумная плавка. Этим способом получают слитки массой до 10 т. Порошковая металлургия перспективна при производстве заготовок и изделий небольших размеров.
Основными трудностями при осуществлении плавки являются способность титана реагировать с газами и со всеми огнеупорными материалами.
На ранних стадиях развития производства компактного металла губчатый титан плавили в индукционных печах с графитовым тиглем в атмосфере аргона или в вакууме. Однако в этом случае получали металл, содержащий не менее 0,25% углерода, который резко ухудшал физико-механические свойства титана из-за образования карбида.
Это послужило причиной освоения электрической дуговой плавки в вакууме в медном водоохлаждаемом тигле (изложнице) с расходуемым электродом из титана. Вследствие высокой теплопроводности меди и быстрого отвода теплоты жидкий металл, соприкасаясь со стенками тигля, затвердевает и образует на них корку. Это исключает взаимодействие титана с медью. Вакуумные дуговые печи работают на переменном или постоянном токе (чаще). Расходуемый электрод является катодом, расплав - анодом. Выпрямление тока осуществляют с помощью кремниевых или германиевых выпрямителей. Наибольшее распространение в титановой промышленности получили печи, в которых расходуемый электрод готовят вне печи прессованием титановой губки или порошка. Готовый электрод приваривают к электрододержателю (штанге) и помещают в печь, в которой находится водоохлаждаемый медный кристаллизатор (тигель). С помощью электрододержателя к электроду подводят ток и осуществляют его перемещение (рис. 157).
При изготовлении электродов обычно сначала прессуют брикеты небольшой длины, которые затем сваривают аргонно-дуговой сваркой или спекают контактным нагревом в самой плавильной печи.
Металл плавится в пламени дуги, возникающей между верхним расходуемым электродом и нижним электродом - расплавленным металлом в медной изложнице. "Горение" дуги в вакууме обеспечивается присутствием в узком зазоре между расплавом и расходуемым электродом ионизированных паров титана.
Для регулирования формы дуги и предотвращения возникновения побочных дуг (например, между стенкой тигля и электродом применяют магнитную катушку (соленоид), расположенную эксцентрично по отношению к кристаллизатору.
Плавку титановой губки в компактный слиток можно проводить также в дуговых печах с вольфрамовым электродом. Титановая
губка в этом случае подается из шихтового бункера в зону горения дуги.
При плавке в дуговых электрических печах получают слитки титана диаметром 350 ... 500мм, массой до Ют. Для этого используют силу тока 8000 . . . 9000 А при напряжении 25 ... ЗОВ. Скорость плавки колеблется от 3,7 до 4,5 кг/мин. Выплавленный в дуговых печах титан содержит не менее 99,8 % Ti.
Методом дуговой вакуумной плавки получают также легированные титановые сплавы. Легирующие добавки вводят либо в шихту для прессования электрода, либо в зону "горения" дуги. В любом случае полученный слиток требует повторной переплавки с целью повышения равномерности состава сплава. При переплавке первичный слиток используют в качестве расходуемого электрода.
Разновидностью дуговой вакуумной плавки титана и ряда других тугоплавких цветных металлов является дуговая гарнисажная плавка с разливкой металла в изложницу. По этому методу вначале из расходуемого электрода в медном кристаллизаторе с наружным соленоидом наплавляют слиток. По его готовности расходуемый электрод заменяют на вольфрамовый и слиток расплавляют таким образом, что на стенках кристаллизатора остается слой твердого металла (гарнисаж). Ванну расплава выдерживают некоторое время для ее дегазации и раскисления, затем с помощью соленоида и дуги расплав перегревают и за счет этого проплавляют отверстие в донной части гарнисажа, через которое и разливают металл в изложницы. Гарнисажная плавка обеспечивает получение однородных по составу слитков с мелкозернистой структурой.
Для получения однородных мелкозернистых слитков титана и его сплавов находит применение также электрошлаковый переплав. Разрабатываются процессы плавки титана в плазменно-дуговых печах.
Компактный титан может быть получен также методами порошковой металлургии. Механические свойства титана, полученного этим способом, практически не отличаются от титана, выплавленного в дуговых печах. Однако ввиду ограниченности размеров заготовок метод порошковой металлургии перспективен для производства титана и его сплавов только в случае массового изготовления изделий небольших размеров.