Способ управления процессом плавки


 


Владельцы патента RU 2436853:

Открытое акционерное общество "Корпорация ВСМПО-АВИСМА" (RU)

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при выплавке слитков из высокореакционных металлов и сплавов плазменно-дуговым и электронно-лучевым переплавом. Способ включает загрузку шихты различного состава и габаритного размера в плавильную установку и ее расплавление факелом плазматрона или электронным лучом с образованием расплава металла и корректировку процесса плавки с учетом изменений параметров. Проводят термографическое сканирование поверхности расплава в инфракрасном диапазоне теплового излучения с определением температурного поля и регистрацией теплового изображения, а при локальных изменениях спектра температурного поля в сторону понижения температуры при неполном расплавлении шихты осуществляют выравнивание температуры поверхности расплава посредством корректировки траектории движения факела плазматрона или электронного луча с направленностью на участки поверхности с пониженной температурой. Изобретение позволяет стабилизировать температуру расплава и поддерживать максимальную площадь поверхности расплава на холодном поде. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при выплавке слитков из высокореакционных металлов и сплавов.

В настоящее время для производства слитков из высокореакционных металлов и сплавов широко применяются способы плавки в вакуумных плавильных установках с охлаждаемой промежуточной плавильной емкостью (т.н. холодным подом) и источниками нагрева, факелы и лучи которых перемещаются во время плавки по предварительно заданной траектории. Слитки, выплавленные в печах с холодным подом, характеризуются высоким качеством и отсутствием тяжелых тугоплавких включений, оседающих в гарнисаже. При плавке в печи с холодным подом крайне важным является поддержание максимальной площади поверхности ванны расплавленного металла на холодном поде, что обеспечивает наибольшую эффективность процесса плавки. Однако при изменении состава, содержания и габаритов шихтовых материалов на поверхности расплава возможно образование и присутствие в течение длительного времени локальных зон с пониженной температурой относительно основной поверхности расплава, что приводит к уменьшению площади ванны расплавленного металла и соответственно снижению чистоты расплава и нарушению стабильности процесса кристаллизации.

Известен способ регулирования температурного поля по поверхности слитков в электронно-лучевых плавильных печах, заключающийся в измерении температуры в секторах, на которые разделяют нагреваемую поверхность, сравнение сигналов, соответствующие измеренным температурам в противолежащих секторах, и по полученным разностям смещение центра траектории перемещения электронного пучка (а.с. СССР №560370, опубл. 23.05.1977, бюл. №20).

Известный способ не обеспечивает требуемой точности измерения и поддержания заданной температуры в процессе плавки, кроме того, известный способ ограничен областью применения, т.к. может использоваться исключительно при электронно-лучевом переплаве.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа, позволяющего обеспечить стабильно высокое качество слитка независимо от специфики исходных шихтовых материалов.

Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются стабилизация температуры расплава и поддержание максимальной площади поверхности расплава на холодном поде.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе управления процессом плавки при плазменно-дуговом и электронно-лучевом переплаве, включающем загрузку шихты различного состава и габаритного размера в плавильную установку и ее расплавление факелом плазмотрона или электронным лучом с образованием расплава металла и корректировку процесса плавки с учетом изменений параметров, согласно изобретению проводят термографическое сканирование поверхности расплава в инфракрасном диапазоне теплового излучения с определением температурного поля и регистрацией теплового изображения, а при локальных изменениях спектра температурного поля в сторону понижения температуры при неполном расплавлении шихты осуществляют выравнивание температуры поверхности расплава посредством корректировки траектории движения факела или электронного луча с направленностью на участки с пониженной температурой. При использовании плазменного факела на поверхности расплава дополнительно создают волнообразное движение, направленное от центра к периферии, сформированное колебаниями факела плазмотрона частотой 0,1÷10 Гц посредством изменения расхода плазмообразующего газа, а при использовании электронного луча на поверхности расплава дополнительно создают волнообразное движение, направленное от центра к периферии, сформированное изменяющимся сфокусированным пятном воздействия луча с частотой развертки 0,1÷10 Гц.

В процессе плавки посредством механизма подачи шихта подается в плавильную зону холодного пода. Факелом плазмотрона или электронным лучом производится расплавление шихты, и образуется ванна жидкого металла. Под действием управляющей программы факел движется над поверхностью расплава по заданной траектории, расплавляя последующие порции подающейся шихты и последовательно подогревая участки поверхности. Однако управляющая программа траектории движения не учитывает того, что при расплавлении шихты различного состава и различными габаритными размерами, например разносортных брикетов или кусковых отходов, в расплаве возможно образование участков с пониженной температурой по причине неполного расплавления шихты и присутствия плен на поверхности расплава при переплаве шихты с повышенной загрязненностью. Указанные участки инициируют локальное охлаждение расплава с созданием «перемерзших» зон, уменьшающих площадь расплава, что не гарантирует их удаление при дальнейшем воздействии движущегося факела источника нагрева. При этом образуются низкотемпературные зоны, уменьшающие площадь ванны расплава, что приводит к необходимости создания дополнительных средств по поддержанию максимальной площади ванны расплава.

Для осуществления предлагаемого способа плавильную установку дополнительно оснащают термографическим устройством в составе датчика, вычислительного модуля и регистратора хранения визуальной информации. Датчик представляет собой двухмерную матрицу, помещенную в охлаждаемый взрывобезопасный корпус и работающую в инфракрасном спектре теплового излучения. При температурном сканировании поверхности расплава, образующегося при расплавлении шихты в плавильной емкости, определяется температурное поле расплава путем измерения и вычисления температуры для каждой точки (пикселя - чувствительного элемента) матрицы датчика. Каждый пиксель воспроизводит цветовой сигнал, интенсивность которого пропорциональна температуре расплава в данной точке, и по измеренным значениям производится пересчет температуры для каждого пикселя матрицы с учетом коэффициента черноты расплава для данного материала. После фильтрации значений базы данных инфракрасных изображений на дисплей выводится цветная видеоинформация поверхности расплава. Кроме того, дополнительно отражаются визуальные, цифровые и графические данные в виде диаграмм распределения температур по поверхности расплава. В процессе плавки термографическим устройством производят температурное сканирование поверхности расплава. При температурном сканировании выявляются участки поверхности расплава с пониженной температурой, имеющие отличающийся от основной поверхности цветовой спектр. Указанные участки не обнаруживаются при визуальном контроле поверхности расплава, а могут быть выявлены только в инфракрасном спектре теплового излучения. При достижении фактического значения снижения температуры порогового значения формируется команда для исполнительного механизма (гидравлического механизма перемещения сопла плазмотрона или отклоняющих катушек движения электронного луча) на корректировку траектории движения факела источников нагрева. После чего исполнительный механизм источников нагрева корректирует траекторию движения, направляя факел источника нагрева на участок поверхности с пониженной температурой, при этом факелом плазмотрона или электронным лучом происходит прямой нагрев требуемого участка с последующим выравниванием температуры и сохранением максимальной площади поверхности расплава металла.

Кроме того, в процессе плавки на поверхности расплава возможно образование тугоплавких частиц легких неметаллических соединений, которые не устраняются в полном объеме после прямого нагрева факелом источником в результате корректировки траектории движения. Поэтому для ограничения в расплаве тугоплавких частиц легких неметаллических соединений дополнительно создают вибрацию поверхности расплава колебаниями факела источников нагрева частотой 0,1÷10 Гц за счет изменения расхода плазмообразующего газа или за счет дополнительного создания волнообразного движения, направленного от центра к периферии и сформированного изменяющимся сфокусированным пятном воздействия луча с частотой развертки 0,1÷10 Гц.

Это позволяет посредством формирования волн на поверхности расплава перемещать нежелательные соединения из центра ванны расплава к периферии и «вмораживать» их в гарнисаж, расположенный у стенок плавильной емкости или переливных порогов. Интервал частоты колебаний определен условиями оптимальной очистки расплава. Создание вибрации позволяет изменить направление движения частиц на поверхности ванны в противоположные стороны относительно общего движения расплава по холодному поду и, как результат, дополнительно очистить расплав от нежелательных соединений, находящихся на его поверхности.

Изобретение поясняется чертежом. На чертеже изображен дисплей термографического устройства с тепловым изображением ванны жидкого металла и регистрируемой информацией, необходимой для управления факелом источников нагрева.

Промышленную применимость изобретения подтверждают следующие примеры конкретного выполнения.

Пример 1. В плазменно-дуговой установке с плоским водоохлаждаемым медным подом производили переплав брикетов из титанового сплава Вт 6 и диаметром 150 мм, высотой 60 мм и массой 5 кг. Исходную шихту в количестве 3000 кг загружали в барабан - питатель установки с закрепленным к внутренней поверхности цилиндра винтом Архимеда и помещали в устройство загрузки шихты рабочей камеры установки. Установку герметизировали и вакуумировали до величины остаточного давления 6,67 Па и заполняли инертным газом - гелием до величины избыточного давления 117,7 кПа. После чего зажигали источник нагрева - плазмотрон в зоне расплавления шихты. По мере наведения ванны жидкого металла на поде зажигали остальные источники нагрева и осуществляли движение всех источников нагрева по траектории, заданной программой. Ток дуги плазмотрона составлял 3 кА, напряжение на дуге 350 В, расход плазмообразующего газа - гелия - 2÷2,5 м3/мин. Одновременно осуществляли термографическое сканирование поверхности расплава. Термографическое сканирование производили термографическим устройством «Mikron» серии 9000 в составе датчика, вычислительного модуля и регистратора для хранения цифровой, графической и визуальной информации. Температурное сканирование производили датчиком, имеющим двухмерную матрицу разрешением 800×600 пикселей и частотой обновления изображения 30 кадров в секунду, в плавильной зоне пода размерами 800×1100 мм. Сигнал с датчика оцифровывали с разрешением 8 бит. По интенсивности цветового сигнала датчика для каждой точки изображения вычисляли значение температуры с учетом степени черноты используемого титанового сплава, равного 0,6. В автоматическом режиме рассчитывали и регистрировали температурное поле поверхности расплава. Через 60 минут после включения независимых источников нагрева производили подсыпку шихтовых материалов. В процессе плавки температурным сканированием выявляли участки с пониженной температурой, вызванной скоплением ссыпавшихся брикетов в зоне косвенного воздействия источников нагрева и наличием на поверхности расплава образовавшихся частиц неметаллических соединений. Далее из зоны рафинирования очищенный жидкий расплав через следующий переливной порог поступал в кристаллизатор диаметром 705 мм. Плавку вели в течение 6 часов, в течение всей продолжительности плавки сигналы на корректировку траектории движении источников нагрева поступали 4 раза, кроме того, в течение плавки на поверхности расплава однократно создавали волнообразное движение колебаний факела плазмотрона переключением газового потока с частотой 1 Гц. После плавления литую металлическую заготовку охлаждали при постоянной циркуляции гелия в течение 5 часов и выгружали из камеры вытяжки кристаллизатора. Полученная литая заготовка после проведения исследований характеризовалась высоким качеством и отсутствием неметаллических включений.

Пример 2. Предлагаемый способ осуществляли в электронно-лучевой установке с промежуточной плавильной емкостью (охлаждаемым медным тиглем) размерами 400×600 мм при переплаве стружки для получения гранул из титанового сплава Инконель 718. В качестве источников нагрева установки использованы газоразрядные электронные пушки, а в качестве рабочего газа пушек - технический водород. Стружку размерами 45×25×1,0 массой 3000 кг помещали в шихтовой бункер. Установку герметизировали до величины давления 3 паскаля. Затем поочередно включали два нагревателя шихтовых материалов. Одновременно подавали газообразный водород. Устанавливали движение пучка луча путем изменения тока управления в электромагнитных катушках в пределах 1,5÷2,0 А, угол отклонения от оси электронной пушки до 30°. Производили из бункера ссыпку металлической стружки весом до 2 кг и ее расплавление. Ток электронного луча составлял 9 А, напряжение 25 кВ на пушке, расход рабочего газа - до 30 л/час. Луч второй пушки направляли на поверхность сливного канала тигля. Слив расплава из емкости производили в кристаллизатор - гранулятор, выполненный в виде медного водоохлаждаемого барабана с углублениями для отливок массой ~2 кг. Для рафинирования поверхности расплава дополнительно применяли флюс на основе CaF2. Термографическое сканирование поверхности образовавшейся в тигле ванны расплава термографическим устройством «Mikron 9100» в составе датчика, вычислительного модуля и регистратора для хранения цифровой, графической и визуальной информации. Температурное сканирование производили датчиком, имеющим двухмерную матрицу разрешением 640×480 пикселей и частотой обновления изображения 30 кадров в секунду. При выявлении процессе плавки участков с пониженной температурой производили корректировку траектории движения электронного луча. В течение плавки корректировку траектории осуществляли 6 раз. Полученные литые гранулы характеризовались высоким качеством и отсутствием дефектов.

Предлагаемый способ управления процессом плавки позволяет обеспечить высокое качество слитка независимо от специфики исходных шихтовых материалов за счет стабилизации температуры расплава и поддержания максимальной площади поверхности расплава.

1. Способ управления процессом плавки при плазменно-дуговом и электронно-лучевом переплаве, включающий загрузку шихты различного состава и габаритного размера в плавильную установку, и ее расплавление факелом плазмотрона или электронным лучом с образованием расплава металла, и корректировку процесса плавки с учетом изменений параметров, отличающийся тем, что проводят термографическое сканирование поверхности расплава в инфракрасном диапазоне теплового излучения с определением температурного поля и регистрацией теплового изображения, а при локальных изменениях спектра температурного поля в сторону понижения температуры при неполном расплавлении шихты осуществляют выравнивание температуры поверхности расплава посредством корректировки траектории движения факела плазмотрона или электронного луча с направленностью на участки поверхности с пониженной температурой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании факела плазмотрона на поверхности расплава дополнительно создают волнообразное движение, направленное от центра к периферии, сформированное колебаниями факела плазмотрона частотой 0,1-10 Гц посредством изменения расхода плазмообразующего газа.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании электронного луча на поверхности расплава дополнительно создают волнообразное движение, направленное от центра к периферии, сформированное изменяющимся сфокусированным пятном воздействия луча с частотой развертки 0,1-10 Гц.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструктивным элементам плавильного оборудования вакуумно-дуговых, плазменно-дуговых и электронно-лучевых печей, в конструкции которых используется водоохлаждаемый плавильный инструмент - холодный тигель.
Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к способу получения высокочистого кобальта для распыляемых мишеней. .

Изобретение относится к области порошковой металлургии и направлено на получение порошков, состоящих из сферических гранул жаропрочных и химически активных сплавов.

Изобретение относится к металлургии, в частности к плавильному оборудованию, а именно к конструктивным элементам плазменно-дуговых и электронно-лучевых печей с холодным подом для получения слитков из высокореакционных металлов и сплавов.

Изобретение относится к производству жидкого металла в черной и цветной металлургии, в частности, может быть использовано для производства титановых сплавов в вакуумных плавильных печах с холодным подом и независимыми источниками нагрева.

Изобретение относится к устройству для одновременного получения тугоплавких металлических и неметаллических материалов и возгонов. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкции электронно-лучевой печи для изготовления слитка из тугоплавкого металла путем плавки металла пучком электронов.

Изобретение относится к области вакуумной электротермии и порошковой металлургии и предназначено для использования в электротермических установках различного назначения, в которых в качестве нагревателя используется сильноионизированная плазма для получения из исходного металлического порошка слитка металла либо мелкодисперсного очищенного порошка.

Изобретение относится к черной металлургии, а в частности к способу плавления стального лома
Изобретение относится к получению слитков гафния и может быть использовано для получения слитков тугоплавких металлов в электронно-лучевой печи

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для литья любых металлов, включая тугоплавкие и химически активные

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам электронно-лучевой выплавки изделий из тугоплавких металлов и сплавов, и может быть использовано в авиационном и энергетическом машиностроении при изготовлении деталей горячего тракта газотурбинных двигателей

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для зонной плавки любых металлов, включая тугоплавких и химически активных

Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано для получения слитка сплава высокой чистоты. Способ включает: стадию загрузки исходного материала сплава в холодный тигель в индукционной плавильной печи с холодным тиглем и образование ванны расплава исходного материала сплава индукционным нагревом в атмосфере инертного газа, стадию продолжения индукционного нагрева и добавления первого рафинирующего агента к ванне расплава, и затем уменьшения содержания по меньшей мере фосфора из числа примесных элементов, присутствующих в ванне расплава, и стадию формирования слитка сплава посредством отверждения расплава, содержание фосфора в котором было уменьшено. Первый рафинирующий агент представляет собой смесь металлического кальция и флюса, при этом флюс содержит фторид кальция и по меньшей мере один компонент из оксида кальция и хлорида кальция. Массовая доля суммарного содержания оксида кальция и хлорида кальция по отношению к фториду кальция находится в интервале от 5 до 30 масс.%, и массовая доля металлического кальция по отношению к ванне расплава составляет 0,4 масс.% или более. Слиток сплава также может быть получен в электроннолучевой печи с холодным подом. Изобретение позволяет получить слиток сплава высокой чистоты с минимальным содержанием фосфора за счет использования рафинирующего агента специального состава. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 табл., 9 ил.

Изобретение относится к металлургии, в частности к рафинированию тантала. Способ рафинирования сплавов на основе тантала включает вакуумный электронно-лучевой переплав в горизонтальном кристаллизаторе помещенной в него шихты с выделением возгонов ее металлических примесей на конденсирующей их поверхности и возгонов газосодержащих примесей и получением слитка тантала путем перемещения электронного луча от начала к концу кристаллизатора по всей поверхности шихты с его последующим отключением. Шихта содержит металлические примеси тугоплавких металлов с близкой к танталу температурой плавления. Вакуумный электронно-лучевой переплав ведут в два этапа. Полученный на первом этапе слиток тантала с примесями тугоплавких металлов подвергают электрохимической переработке с выделением танталсодержащего катодного осадка, который подвергают второму этапу переплава с получением слитка кондиционного тантала и содержащих тантал возгонов, которые возвращают на электрохимическую переработку. От первого этапа переплава ко второму удельную мощность электронного луча увеличивают с 0,024-0,035 до 0,040-0,045 кВт/мм2, а скорость перемещения луча снижают с 40-60 до 4-6 мм/мин Увеличивается степень извлечения и чистоты тантала. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 2 пр.

Изобретение относится к способу получения карбида кальция. Способ включает термическую обработку дробленых известняка и угля с отводом газообразных продуктов, которые используют для производства углекислоты. Термическую обработку ведут в одном реакторе. На первом этапе в процессе ввода сырья в реактор его подвергают нагреву до 1000°-1200°С теплопередачей от конструктивных элементов загрузочного канала и воздействием на сырье плазменного луча в зоне свободного перемещения частиц сырья. Термическую обработку сырья осуществляют в атмосфере диоксида углерода. Последующий синтез карбида кальция осуществляют при температуре как минимум 1700-1800° индукционным нагревом реакционной массы. Полученный расплав карбида кальция отводят. Из верхней части реактора отводят газообразные продукты, из которых выделяют окись углерода и диоксид углерода, причем как минимум часть отводимого диоксида углерода используют для заполнения загрузочного канала. Для производства углекислоты используют объем диоксида углерода, оставшийся после заполнения загрузочного канала, и весь объем окиси углерода. Техническим результатом является повышение выхода целевого продукта и снижение энергоемкости процесса. 1 ил.

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано при переработке сульфидных медно-никелевых материалов, содержащих металлы платиновой группы, в частности при пирометаллургической переработке никель-пирротиновых концентратов, содержащих металлы платиновой группы. Сущность способа заключается в том, что исходный материал предварительно смешивают с оксидом кальция в количестве 15-20% от массы исходного материала и расплавляют с получением штейно-шлакового расплава. Затем на его поверхность подают кремнийсодержащий сплав-коллектор в виде ферросилиция марки ФС25, коллектирующего платиновые металлы и никель. При этом медь остается в штейне. Полученный расплав подвергают выдерживке. В качестве исходного материала используют никель-пирротиновый концентрат. Кроме того, кремнийсодержащий сплав используют в измельченном виде. Технический результат заключается в повышении извлечения и концентрирования металлов платиновой группы в металлической фазе, разделении меди и никеля по продуктам плавки. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 пр.
Изобретение относится к пирометаллургии. Способ переработки золотосодержащих неорганических материалов включает расплавление исходного сырья с флюсом, содержащим 3-15 мас.% обезвоженной буры, 0,5-3 мас.% оксида кальция и 0,4-3 мас.% кварцевого песка относительно суммы масс примесей в исходном продукте. Нагретый до 1100-1200°C расплав барботируют кислородосодержащим газом до завершения окисления примесей. После чего переливают окисленный расплав при температуре 1200-1250°C в нагретую футерованную изложницу, установленную в роторе центрифуги. Осуществляют вращение изложницы с расплавом со скоростью, создающей гравитационный коэффициент Kg=50÷500. Используют изложницу, обеспечивающую скорость охлаждения залитого расплава не более 10°C/мин. Вращение изложницы прекращают при завершении процесса кристаллизации расплава с получением отливки с температурой ниже температуры солидус. Обеспечивается повышение степени очистки золотосодержащих материалов от примесей при одновременном обеспечении требуемых геометрических параметров конечного продукта. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Наверх