УДК 669.018.44.046.5
ОПЫТ ПЕРЕРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ ФГУП «ВИАМ» ЛИТЕЙНЫХ ОТХОДОВ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ НА МОТОРОСТРОИТЕЛЬНЫХ И РЕМОНТНЫХ ЗАВОДАХ
© Сидоров Виктор Васильевич, д-р техн. наук; Ригин Вадим Евгеньевич, канд. техн. наук; Горюнов Александр Валерьевич; Мин Павел Георгиевич
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ВИАМ). Россия, Москва. E-mail: lab16@viam.ru
Статья поступила 30.05.2013 г.
Разработанная ресурсосберегающая технология переработки 100% литейных отходов никелевых жаропрочных сплавов обеспечивает качество литых прутковых заготовок по содержанию примесей, газов и механическим свойствам в соответствии с требованиями ТУ, стабильный химический состав сплавов по основным легирующим элементам, снижение стоимости сплавов и сокращение расхода дефицитных и дорогостоящих легирующих металлов (№, Со, Мо, ^ Ие, Та и др.).
Ключевые слова: жаропрочный сплав; отходы; литые прутковые заготовки; примеси; входной контроль; экспресс-анализ.
В настоящее время при производстве турбинных и сопловых лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ) из никелевых жаропрочных сплавов на моторостроительных заводах образуется значительное количество отходов как кондиционных в виде литниковых чаш, питателей, коллекторов, забракованных деталей, так и некондиционных в виде гарнисажа с плавильного тигля, скрапа, сплёсов и корольков металла, образующихся при литье, а также в виде стружки, образующейся после механической обработки отливок (рис. 1, 2). Суммарный объем некондиционных отходов составляет 8-10% от массы всех исходных шихтовых материалов.
В связи с необходимостью проведения ряда технологических операций при получении лопаток, при которых металл многократно подвергается высокотемпературному окислению, взаимодействует с керамикой и различными смазками, реагирует с агрессивными средами, отходы загрязнены посторонними вредными примесями (серой, кремнием, натрием, калием и др.), содержат повышенное количество оксидных и нитрид-ных неметаллических включений. 2 Наряду с повышенной загрязненностью хи-
о
мический состав отходов по макролегирующим элементам (алюминию, титану, хрому и др.) и полезным микродобавкам РЗМ (Се, У, Ьа) отли-£ чается от оптимального, поскольку имеет место < окисление и испарение этих элементов при высо-г котемпературных технологических процессах.
Ежегодно на заводах по ремонту ГТД и ГТУ скапливается большое количество отходов в виде лопаток из литейных жаропрочных сплавов, которые отработали свой ресурс и уже не пригодны для дальнейшего использования в двигателях (см. рис. 2). Поскольку лопатки длительное время работали в продуктах сгорания топлива, материал лопаток в процессе работы загрязняется вредными примесями из топлива (цветные металлы, сера, фосфор и др.).
Поскольку образующиеся на моторостроительных и ремонтных заводах отходы загрязнены вредными примесями и неметаллическими включениями, то их применение при выплавке жаропрочных сплавов ограничено. По серийной технологии при выплавке сплавов используется до 50% только кондиционных отходов, а осталь-
Рис. 1. Кондиционные отходы никелевых жаропрочных сплавов
Рис. 2. Некондиционные отходы никелевых жаропрочных
сплавов: а - гарнисаж с тигля после плавки; б - стружка после механической обработки; в - металлокерамика после фильтрации; г - сплёсы и корольки после разливки; д - лопатки, отработавшие свой ресурс
ные отходы сдавались на предприятия Втор-цветмета по заниженным ценам для извлечения только никеля и кобальта, при этом остальные компоненты сплавов терялись. Таким образом, заводы, выпускающие газотурбинные двигатели и производящие их ремонт, и экономика страны в целом терпели большие убытки, поскольку вторично не использовались или просто пропадали дорогостоящие металлы, содержащиеся в отходах.
Учитывая высокую стоимость литейных жаропрочных сплавов, содержащих дорогостоящие металлы, необходимо было решить задачу рациональной и комплексной переработки отходов всех видов.
С использованием новейших достижений в области вакуумной металлургии жаропрочных никелевых сплавов и результатов научно-исследовательских работ в ФГУП «ВИАМ» была разработана ресурсосберегающая технология рафинирующего переплава в вакуумных индукционных печах всех видов образующихся отходов. Эта технология позволяет из 100% отходов получать сплавы, полностью отвечающие по чистоте и свойствам требованиям действующих ТУ и не уступающие сплавам, изготовленным из свежих шихтовых материалов (табл. 1) [1, 2].
Технологическая схема получения литых прутковых заготовок включает первоначальный входной контроль литейных кондиционных отходов на соответствие требованиям ТУ на отходы. Поскольку некондиционные отходы характеризуются повышенной окислен-ностью, загрязнены керамикой, а стружка после механической обработки покрыта маслом и эмульсией, проводится их предварительная подготовка: сортировка, измельчение, промывка и обезжиривание стружки, а также предварительное рафинирование путем переплава в вакууме. Лопатки, отработавшие свой ресурс, имеют нагар на поверхности, и поэтому также требуется их предварительная подготовка к плавке (травление или дробеструйная обработка поверхности) [3, 4].
Выплавка сплавов в вакуумной индукционной печи с использованием 100% всех видов отходов проводится по технологии ВИАМ с последующим контролем качества сплавов (химический состав и механические свойства) и качества поверхности заготовок. Отгрузка готовой продукции в виде литых прутковых заготовок заказчику производится по ТУ или ОСТ на сплавы с сертификатом качества.
Таблица 1. Качество литых прутковых заготовок никелевых жаропрочных сплавов, изготовленных с использованием 100% литейных отходов
Марка сплава
Технология выплавки
Содержание газов, мас. %
О,
N2
Длительная прочность
Т, °С ст, МПа
Кратковременные свойства при 20 °С
т, ч ств, МПа 8, %
80 1060 6,5
>40 >850 >3
58 - -
>40 - -
79 - -
>40 - -
93 - -
>80 - -
ЖС6У-ВИ
ЖС26-ВИ
ЖС32-ВИ
ВЖМ4-ВИ
100% рафинированных отходов 0,0017 0,0013
ТУ на сплав <0,003 <0,003
100% рафинированных отходов 0,0012 0,001
ТУ на сплав <0,002 <0,002
100% рафинированных отходов 0,0009 0,0007
ТУ на сплав <0,002 <0,002
100% рафинированных отходов 0,0005 0,0002
ТУ на сплав <0,001 <0,001
975
975
975
1000
230
260
300
300
Таблица 2. Содержание легирующих элементов в литейных отходах сплава ВЖЛ12У-ВИ
Отходы Доля элементов, мас. %
& ТС Al
1 8,6 4,10 5,11
2 8,72 3,94 5,11
3 8,66 3,94 5,05
4 8,6 4,05 5,0
Оптимальный 9,4 4,5 5,4
состав
ТУ на сплав 9,0-10,0 4,2-4,7 5,1-5,7
Таблица 3. Содержание легирующих элементов в сплаве ВЖЛ12У-ВИ, изготовленном с применением 100% литейных отходов
Номер плавок Доля элементов, мас. %
& ТС Al
12В-143В 9,27 4,56 5,43
12В-144В 9,22 4,53 5,41
12В-145В 9,17 4,56 5,43
12В-146В 9,29 4,55 5,56
Оптимальный состав 9,4 4,5 5,4
ТУ на сплав 9,0-10,0 4,2-4,7 5,1-5,7
При проведении входного контроля литейных отходов на ряде поступивших с моторостроительных заводов партий отходов было обнаружено, что по некоторым легирующим элементам имеются значительные отклонения от оптимального состава сплава. Это вполне объяснимо, поскольку на некоторых заводах при литье деталей отходы многократно подшихтовываются к свежему сплаву: до 50% для рабочих лопаток и 80%
- для сопловых лопаток от массы плавки; состав сплава изменяется в результате окисления активных металлов (алюминия и титана), испарения хрома, имеющего повышенную упругость пара, ликвации тугоплавких металлов - вольфрама, рения, молибдена, ниобия и других. Это подтверждается результатами химического анализа поступивших в институт литейных отходов сплава ВЖЛ12У-ВИ, приведенными в табл. 2. Видно, что содержание хрома и титана в отходах ниже нижнего предела нормы ТУ, а содержание алюминия
- на нижнем пределе.
Однако применение разработанной в институте технологии доводки химического состава сплава до оптимального благодаря проведению экспресс-анализа расплава во время плавки позволяет осуществлять долеги-рование сплава и получать его оптимальный химический состав с отклонением ±0,20-0,30% по всем легирующим элементам от расчетного (табл. 3) [5, 6].
На рис. 3 и 4 приведены результаты испытаний на длительную прочность при температурах 900, 1000 и 1100 °С сплавов ЖС32-ВИ и ВЖМ4-ВИ, выплавленных по разработанной технологии с использованием 100%
=
ь"
500
400 "
300 -
700 600-
« 5002 400-
ь"
<и 300-^ н х
си
| 200-ср с
900 °С .___Средн. Мин. ^^^^
1000 °С Средн.
Паспорт № 1540 100% свежей шихты
Мин. __ •
100
100 500 1000 2000
Время до разрушения т, ч
Рис. 3. Длительная прочность сплава ЖС32-ВИ, выплавленного с использованием 100% литейных отходов
литейных отходов, в сравнении с паспортными характеристиками сплавов, выплавленных с использованием только свежих шихтовых материалов. Из графиков видно, что значения долговечности сплавов ЖС32-ВИ и ВЖМ4-ВИ, выплавленных с использованием 100% отходов, соответствуют паспортным характеристикам сплава [7].
В процессе литья лопаток для ГТД и ГТУ с направленной и монокристаллической структурой
N 200 -
100 -
10
70
80 90 100 200 300
Время до разрушения т, ч
400 500 600 700 800 900 1000
Рис. 4. Длительная прочность сплава ВЖМ4-ВИ, выплавленного с использованием
100% литейных отходов
содержание кремния в сплавах увеличивается [8-10].
Если сплав ЖС32-ВИ был выплавлен из свежих шихтовых материалов, то при литье лопаток возможно использовать этот сплав для подших-товки ограниченное число раз, поскольку вследствие взаимодействия с керамикой содержание кремния в металле увеличивается и становится выше нормы ТУ (более 0,20%). Поэтому большое количество литейных отходов сплава ЖС32-ВИ, поступающих на переработку в ФГУП «ВИАМ», имеет повышенное содержание кремния. Технология удаления кремния из расплава в процессе выплавки в вакуумной индукционной печи отсутствует, поэтому такие отходы перерабатываются путем разбавления свежими шихтовыми материалами или отходами с низким содержанием кремния (менее 0
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.