научная статья по теме РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕКОНДИЦИОННЫХ ОТХОДОВ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ Металлургия

Текст научной статьи на тему «РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕКОНДИЦИОННЫХ ОТХОДОВ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ»

УДК 669.245.018.44.046.5

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕКОНДИЦИОННЫХ ОТХОДОВ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

© 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». Россия, Москва. E-mail: lab16@viam.ru Статья поступила 29.10.2013 г.

На основе проведенных исследований разработана ресурсосберегающая технология получения шихтовых заготовок из литейных жаропрочных сплавов с использованием до 100% некондиционных отходов. Технология позволяет при выплавке сплавов использовать отходы всех видов, обеспечивает экономию дорогих и дефицитных легирующих металлов и снижает стоимость сплавов без снижения их качества.

Ключевые слова: жаропрочный сплав; отходы; фильтрация; примеси; свойства.

При производстве литых прутковых (шихтовых) заготовок из литейных жаропрочных сплавов и литье из них деталей газотурбинных двигателей (лопаток, створок сопла и др.) наряду с кондиционными отходами (обрезь донной и головной части прутковых заготовок, обрезь металла после отбора проб на химический и газовый анализы, прибыльные и литниковые части отливок, забракованные отливки и др.) образуются некондиционные (н/к) отходы в виде гар-нисажа плавильного тигля, промежуточного ковша и литейной оснастки, скрапин, сплёсов и корольков металла, а также отходы в виде стружки, образующейся после механической обработки литых прутковых заготовок и отлитых из них деталей.

Некондиционные отходы образуются также на авиационных ремонтных заводах в виде турбинных и сопловых лопаток газотурбинных двигателей, которые отработали свой ресурс и непригодны для дальнейшей эксплуатации. Поскольку лопатки длительное время работали в продуктах сгорания авиационного топлива в различных климатических средах, металл таких лопаток загрязнен вредными примесями (сера, фосфор, свинец, мышьяк и др.), поступившими из топлива и накапливающимися на поверхности лопаток.

На рис. 1 приведены результаты сканирования методом Оже-электронной спектроскопии лопатки из сплава ЖС6У-ВИ, отработавшей свой ресурс в составе газотурбинного двигателя Д30КУ. Анализировали матрицу сплава и поверхностный слой лопатки. Видно, что в матрице

сплава присутствуют только основные легирующие металлы, а в поверхностном слое металла лопатки обнаружены включения серы и фосфора, что подтверждается также и металлографическими исследованиями.

Наряду с примесями на поверхности лопаток могут оставаться различные защитные покрытия после алитирования, хромоалитирования, многокомпонентные покрытия и др., а в поверхностных слоях металла лопаток могут присутствовать не-

Jl П Р | I I 11 11 П I 11J I I 11 Г111 L11 | J 11 | | < | И 11 III | I I м |

В.Ъ 11 ■ 1

Рис. 1. Результаты сканирования методом Оже-электронной спектроскопии рабочей лопатки из сплава ЖС6У-ВИ после эксплуатации в газотурбинном двигателе Д30КУ:

а - матрица сплава; б - поверхность лопатки (1 - включение, содержащее серу)

а

б

Рис. 2. Некондиционные отходы литейных жаропрочных сплавов:

а - гарнисаж тигля после плавки; б - стружка после механической обработки; в - металлокерамика после фильтрации; г - сплёсы и корольки после разливки; д - лопатки, отработавшие свой ресурс

металлические включения в виде оксидов и нитридов в результате длительного окисления материала лопаток при эксплуатации.

Суммарный объем всех образующихся некондиционных отходов составляет 8-10% от массы используемых исходных шихтовых материалов.

Технология переработки до 100% кондиционных отходов разработана и успешно применяется в ФГУП «ВИАМ» при производстве литейных жаропрочных сплавов [1-7]. Однако технология переработки некондиционных отходов, имеющих повышенную загрязненность оксидными, нитридными, сульфидными, фосфидными и керамическими включениями, до настоящего времени не разработана, поэтому такие отходы при плавке не используются и в основном утилизируются для извлечения только никеля и кобальта. При этом теряются остальные дорогостоящие и дефицитные легирующие металлы (рений, тантал, рутений, гафний, вольфрам, молибден и др.), и их воспроизводство требует дополнительных производственных и энергетических затрат.

Сложность решения этой проблемы состояла в том, что вышеперечисленные некондиционные отходы загрязнены кислородом, азотом, углеродом, серой, фосфором и др., содержат повышенное количество оксидных плен и неметаллических, в том числе керамических, включений (рис. 2). Повышенное содержание этих примесей в готовом металле неизбежно отразится на качестве литых изделий: низкий выход годного и снижение служебных характеристик отливок [8-13]. Эти отходы имеют повышенную окисленность, загрязнены керамикой; стружка после механической обработки покрыта маслом и эмульсией. Использовать такие отходы непосредственно при выплавке сплавов не представляется возможным,

поэтому некондиционные отходы необходимо предварительно подготовить. Подготовка включает в себя их предварительную сортировку, измельчение, промывку и обезжиривание стружки.

Исследование проводили с применением стружки, образовавшейся после обдирки на токарном станке сплава ВЖМ4-ВИ, содержащего наиболее дорогостоящие легирующие металлы - 6% рения и 4% рутения [14-16]. Содержание примесей кислорода, азота, углерода и серы в стружке до и после промывки приведено в табл. 1. Промывка стружки в специально приготовленном растворе позволяет снизить содержание в сплаве кислорода, азота, углерода и серы. С использованием 100% подготовленных таким образом некондиционных отходов выплавлено четыре плавки в вакуумной индукционной печи ВИАМ 2002 (вместимость тигля 20 кг) с применением технологии их эффективного рафинирования от примесей и газов в вакууме. В качестве шихты использовали некондиционные отходы в виде 60% промытой стружки, 25% скрапа, корольков и гарнисажа и 15% кондиционных отходов в виде головных частей прутковых заготовок. Металл заливали в стальную трубу с установленной на ней утеплительной вставкой, в которую был вмонтирован пенокерамический фильтр с активной рабочей поверхностью.

В полученной таким образом заготовке сплава ВЖМ4-ВИ анализировали содержание примесей: углерода, серы, кислорода и азота (табл. 2). Видно, что содержание всех примесей в заготовке весьма

Таблица 1. Содержание примесей в стружке из сплава ВЖМ4-ВИ

Способ подготовки Содержание элементов, мас. %

C S

Без промывки 0,009 0,0005 0,0080 0,0006

После промывки 0,006 0,0003 0,0043 0,0003

Таблица 2. Содержание примесей в заготовке сплава ВЖМ4-ВИ, полученного с использованием 100% отходов, включая 85% н/к отходов

Номера плавок Содержание элементов, мас. %

°2 C S

1 0,0009 0,0002 0,004 0,0012

2 0,0007 0,0003 0,003 0,0011

3 0,0005 0,0003 0,004 0,0012

4 0,0005 0,0003 0,0065 0,0010

Таблица 3. Отклонения по химическому составу и содержание примесей в сплаве ВЖМ4-ВИ, полученном с использованием рафинированных некондиционных отходов

Номера Отклонение по содержанию основных легирующих элементов Содержание примесей*, %

плавок А1 Сг Мо Та Со Ке Ки С о2 Р

1 +0,12 -0,11 - -0,17 +0,02 -0,04 -0,20 - 0,0036 0,0007 0,0039

2 +0,18 +0,09 +0,09 -0,08 -0,09 +0,11 -0,03 +0,15 0,0025 0,0007 0,0049

3 +0,18 +0,14 +0,06 -0,11 -0,06 +0,09 -0,04 +0,09 0,0023 0,0013 0,0053

4 +0,25 +0,20 +0,06 -0,12 -0,09 +0,09 -0,13 +0,05 0,0028 0,0008 0,0052

5 - +0,11 +0,13 -0,06 -0,05 +0,09 -0,05 +0,11 0,0015 0,0008 0,00017

Норма ТУ 1-595-1-948-2006 <0,008 <0,001 <0,010

* 0,0009% Б (по ТУ <0,003%); 0,0003% Ы2 (по ТУ <0,001%); < 0,05% (по ТУ <0,20%); <0,10% Мп (по ТУ <0,20%); <0,10% Бе (по ТУ <0,50%); <0,0004% РЬ (по ТУ <0,0005%); <0,0001% Ы (по ТУ <0,0001%).

низкое: кислорода и азота (<0,001% каждого), содержание углерода в пределах от 0,003 до 0,0065%, содержание серы в пределах от 0,001 до 0,0012%.

Полученные из 100% отходов рафинированные заготовки были использованы при выплавке сплава ВЖМ4-ВИ. Выплавку проводили в той же вакуумной индукционной печи с введением различного количества рафинированных некондиционных отходов (остальное - кондиционные отходы в виде обрези заготовок и свежие шихтовые материалы):

плавка 1 - 100% н/к отходов;

плавка 2 - 25% н/к отходов + 75% кондиц. отходов;

плавка 3 - 50% н/к отходов + 50% кондиц. отходов;

плавка 4 - 25% н/к отходов + 75% кондиц. отходов;

плавка 5 - 25% н/к отходов + 25% кондиц. отходов + 50% свежих шихтовых материалов.

После расплавления брали пробу жидкого металла для экспресс-анализа, после чего проводили дошихтовку сплава до оптимального состава.

В табл. 3 приведены данные по отклонению содержания основных легирующих элементов от заданного расчетного состава и содержание вредных примесей в полученном сплаве ВЖМ4-ВИ. Анализ табл. 3 показывает, что во всех плавках отклонение по содержанию основных легирующих элементов от заданного состава находится в пределах ±(0,2-0,3)%, а по некоторым элементам даже менее 0,20%. Содержание вредных примесей соответствует требованиям технических условий на сплав ВЖМ4-ВИ.

Из металла пяти плавок на установке УВНК-9 были отлиты заго-

товки с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентацией <001> [17, 18]. Была определена кристаллографическая ориентация заготовок и выбраны заготовки, которые имели отклонение от ориентации <001> не более 10°, проведена их стандартная термическая обработка и изготовлены образцы для испытания на длительную прочность по нормам ТУ. Результаты испытаний приведены в табл. 4. Анализ табл. 4 показывает, что разработанная технология позволяет даже при использовании при плавке 100% предварительно подготовленных в виде марочной заготовки некондиционных отходов получать характеристики длительной прочности, удовлетворяющие требованиям ТУ: время до разрушения т при температуре 1000 °С и нагрузке 300 МПа превышает 80 ч (102 ч). При использовании в шихте 25, 50, 75% некондиционных отходов в виде марочных заготовок время до разрушения также превышает 80 ч.

При плавке с использованием 50% свежих шихтовых материалов наряду с

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.

Показать целиком