Способ управления электрической дугой при вакуумном дуговом переплаве

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков преимущественно из титановых сплавов. В способе на электрическую дугу одновременно осуществляют циклическое воздействие аксиальным магнитным полем с напряженностью 0,3×103÷7,0×103 А/м, периодом воздействия поля 2÷60 сек и паузой между периодами 0,1÷20 сек, а также радиальным вращающимся магнитным полем с напряженностью 0,4×103÷4,0×103 А/м, частотой переключения поля 0,01÷1 Гц, сменой направления вращения поля после 0,5÷20 оборотов. Изобретение позволяет создать управляемое перемещение дуги по поверхности ванны жидкого металла. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков преимущественно из титановых сплавов.

В настоящее время основным способом промышленного производства высокореакционных металлов и сплавов является вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода. Несмотря на то, что вакуумные дуговые печи (ВДП) используются давно в промышленном масштабе, постоянно ведется поиск оптимальных соотношений между основными режимами работы ВДП, продолжаются исследования параметров вакуумной электрической дуги, совершенствуются способы контроля режимов работы, что существенно влияет на воспроизводимость процесса и качество металла.

При производстве слитков из титановых сплавов наряду с общими закономерностями, присущими процессам получения слитков методом вакуумного дугового переплава, имеются свои характерные черты, которые накладывают особенности на процесс производства слитков.

В процессе плавки в вакуумной дуговой печи выше уровня ванны жидкого металла образуется гарнисаж, т.н. «корона», состоящая из застывших капель металла. Этот гарнисаж в дальнейшем образует пористый слой слитка. Образование «короны» связано с разбрызгиванием металла из струек стекающего расплава в результате процессов магнитогидродинамической неустойчивости. В результате образуются поверхностные дефекты типа неслитин, раковин, наплывов, непроплавов, представляющие собой различные негерметичные несплошности, развивающиеся в процессе последующей пластической деформации. Обработка боковой поверхности слитка, вызванная низким качеством периферийных зон сечения слитка, является малопроизводительной и трудоемкой операцией, связанной с большими потерями металла и значительными затратами. Снижение затрат на обработку дефектной поверхности слитков возможно посредством применения более прогрессивного металлообрабатывающего оборудования. Однако оптимальным путем, предотвращающим причины образования поверхностных дефектов, является совершенствование технологии переплава слитков с использованием магнитных полей.

Известен способ вакуумного дугового переплава расходуемого электрода на основе губчатого титана, включающий воздействие на дугу магнитным полем (а.с. СССР №456000, опубл. 05.01.1975 г.). В известном способе для обеспечения надежного электрического контакта между наплавляемой частью слитка и кристаллизатором в процессе переплава дугу периодически смещают в зазор между краем электрода и кристаллизатором путем отключения магнитного поля через интервал 2÷10 сек. Недостатками известного способа являются пониженный выход годного из-за непроплава боковой поверхности слитков и относительно низкой однородности химического состава.

Известен способ контроля и стабилизации межэлектродного промежутка в процессе плавки в вакуумной дуговой печи, включающий измерение напряжения на электрической дуге и регулирование положения расходуемого электрода относительно выплавляемого слитка, при этом в известном способе измерение напряжения на электрической дуге осуществляют в момент нахождения ее в центральной части торцевой поверхности электрода и воздействуют на электрическую дугу и расплав аксиальным магнитным полем и радиальным вращающимся магнитным полем. (Патент РФ №2425156, опубл. 27.03.2011 - прототип). Недостатком прототипа является нестабильность процесса получения качества слитков из-за малого количества регулируемых параметров ведения плавки.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение качества поверхности выплавляемых слитков с высокой воспроизводимостью процесса.

Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является создание управляемого перемещения дуги по поверхности ванны жидкого металла.

Технический результат достигается тем, что в способе управления электрической дугой при вакуумном дуговом переплаве слитков из высокореакционных металлов и сплавов, включающем воздействие на электрическую дугу знакопеременными магнитными полями различной ориентации, согласно изобретению на электрическую дугу одновременно осуществляют циклическое воздействие аксиальным магнитным полем с напряженностью 0,3×103÷7,0×103 A/м, периодом 2÷60 сек, паузой 0,1÷20 сек, а также радиальным вращающимся магнитным полем с напряженностью 0,4×103÷4,0×103 A/м, частотой переключения 0,0÷1 Гц, сменой направления вращения поля после 0,5÷20 оборотов. Радиальное вращающееся магнитное поле формируют посредством 4÷10 параллельных катушек, подключенных к управляющему источнику питания и расположенных на наружной поверхности кристаллизатора.

Весьма важными технологическими параметрами для вакуумного дугового переплава являются влияние на поведение плазмы дуги и управление ванной расплавленного металла. Наиболее действенным инструментом в этой области является применение знакопеременных магнитных полей. В процессе вакуумного дугового переплава на электрическую дугу воздействуют аксиальным (вертикальным) магнитным полем. Аксиальное магнитное поле позволяет концентрировать плазму дуги и придавать ей заданное направление движения. Аксиальное магнитное поле фокусирует основную дугу под торцом расходуемого электрода и вращает расплав. При этом интенсифицируется теплопередача в жидкой ванне металла, вследствие чего тепловые нагрузки на стенку кристаллизатора в контактном поясе увеличиваются, что способствует улучшению проплава поверхностных слоев слитка. Параметры аксиального магнитного поля определены экспериментальным путем и зависят от типоразмера плавильного инструмента с учетом особенностей сплавов. Наиболее удовлетворительные результаты плавки достигаются при напряженности аксиального магнитного в интервале 0,3×103÷7,0×103 A/м. При воздействии аксиальным магнитным полем с напряженностью ниже указанного интервала возрастает риск возникновения взрывоопасной ситуации из-за неконтролируемости дуги, а напряженность аксиального магнитного поля свыше указанного интервала приводит к увеличению разбрызгивания расплава, понижению стабильности процесса, и, соответственно, увеличению толщины и высоты «короны». Время периода воздействия аксиального магнитного поля 2÷60 сек выбрано из условия стабильности горения дуги и контролируемости процесса плавки. Пауза между периодами воздействия 0,1÷20 сек снижает риск возникновения аварийной ситуации, предотвращая выход дуги на боковую поверхность кристаллизатора. При указанном воздействии аксиального магнитного поля интенсифицируется теплопередача в жидкой ванне металла, вследствие чего тепловые нагрузки на стенку кристаллизатора в контактном поясе увеличиваются, что способствует улучшению проплава поверхностных слоев слитка.

При дополнительном воздействии вращающегося радиального магнитного поля дуга смещается в кольцевой зазор между краем электрода и кристаллизатора и перемещается по кольцевому зазору, при этом анодное пятно двигается по расплаву металла, не перемещаясь на стенку кристаллизатора. Соответствующим управлением дугу перемещают в направлении, встречном круговому движению расплава. Воздействие на дугу вращающимся горизонтальным магнитным полем одновременно с постоянным вертикальным магнитным полем приводит к тому, что сфокусированная дуга, постоянно перемещающаяся по кольцевому зазору, равномерно проплавляет периферийную область ванны жидкого металла и сплавляет образующуюся «корону».

В свою очередь, равномерный проплав периферии ванны жидкого металла обеспечивает получение литой поверхности слитка высокого качества, не требующей дальнейшей механической обработки. Интервал напряженности радиального вращающегося магнитного поля 0,4×103÷4,0×103 А/м обусловлен параметрами бокового разряда, т.к низкая напряженность вызывает неустойчивый боковой разряд, а напряженность свыше верхнего значения интервала вызывает вращение расплава с интенсивностью выше требуемой. Частота переключения вращающегося радиального магнитного поля 0,01÷1 Гц обеспечивает эффективное воздействие радиального вращающегося поля, т.к. при частоте менее 0,01 Гц не обеспечивается равномерный прогрев зеркала ванны жидкого металла, приводящий к образованию микротрещин по образующей слитка, а при частоте свыше 1 Гц наблюдается нарушение синхронизации дуги и поля, вызывающее аварийную ситуацию. После осуществления 0,5÷20 оборотов вращения поля направление вращения поля меняют на противоположное. Количество оборотов вращения радиального магнитного поля определено опытным путем и обусловлено размерами плавильного инструмента.

С целью обеспечения равномерного вращения и оптимального размещения плавильного оборудования радиальное магнитное поле формируют посредством 4÷10 параллельных катушек, подключенных к управляющему источнику питания и расположенных на наружной поверхности кристаллизатора.

Промышленная применимость заявленного изобретения подтверждается примером конкретного выполнения.

В вакуумной печи ДТВ 8,7-Г10 производили выплавку слитка из титанового сплава ПТ-3В диаметром 800 мм и массой 6000 кг. Литой электрод диаметром 700 мм помещали на поддон диаметром 800 мм. Между торцом расходуемого электрода и поддоном возбуждали электрическую дугу. Далее производили прогрев нижнего торца расходуемого электрода на 10 кА в течение 12 минут и плавно в течение 25 минут ток дуги поднимали до рабочей величины 28 кА и плавили в течение 330 минут. Во время плавки на электрическую дугу воздействовали аксиальным магнитным полем напряженностью 3,0×103 A/м, периодом 7 секунд и паузой 3 секунды. Для вывода дуги на периферию ванны жидкого металла на электрическую дугу воздействовали вращающимся горизонтальным магнитным полем напряженностью 2,6×103 A/м, частотой 0,4 Гц, количеством оборотов дуги одного направления вращения - 1,5. Далее плавку производили в штатном режиме. В завершении плавления литого расходуемого электрода проводили выведение усадочной раковины в течение 180 минут.

Выплавленный слиток отвечал всем требованиям нормативно-технической документации. Поверхность слитка не требовала дополнительной обработки.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет стабилизировать и улучшить качество проплава боковой поверхности слитков и увеличить выход годного до 1,5%.

1. Способ управления электрической дугой при вакуумном дуговом переплаве слитков из высокореакционных металлов и сплавов в кристаллизаторе, включающий воздействие на электрическую дугу знакопеременными магнитными полями различной ориентации, отличающийся тем, что на электрическую дугу циклически воздействуют аксиальным магнитным полем с напряженностью 0,3×103÷7,0×103 А/м, периодом воздействия 2÷60 с и паузой между периодами 0,1÷20 с, и одновременно осуществляют воздействие радиальным вращающимся магнитным полем с напряженностью 0,4×103÷4,0×103 А/м, частотой переключения поля 0,01÷1 Гц и сменой направления вращения поля после 0,5÷20 оборотов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что радиальное вращающееся магнитное поле формируют посредством 4÷10 параллельных катушек, подключенных к управляющему источнику питания и расположенных на наружной поверхности кристаллизатора.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области электрометаллургии и может быть использовано для плавки и переплава черных и цветных металлов, например, меди, бронзы, алюминия, стали, чугуна, для плавки шлаков и флюсов, а также для перемешивания их расплавов в плавильных печах, миксерах, печах-ковшах, агрегатах комплексной обработки сплавов.

Изобретение относится к области электрометаллургии и может быть использовано для плавки и переплава черных и цветных металлов, например меди, бронзы, алюминия, стали, чугуна, а также для плавки шлаков и флюсов.

Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано при производстве титана, тантала, урана, ниобия и циркония в вакуумной электродуговой печи (ВДП).
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения сплавов на основе титана, плавка и разливка которых проводится в вакуумных дуговых гарнисажных печах.

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.

Изобретение относится к области спецэлектрометаллургии и может быть использовано при вакуумно-дуговом переплаве базового -TiAl-сплава, который затвердевает через -фазу.

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к способам вакуумной дуговой плавки высокореакционных металлов, в частности титана и его сплавов. .

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано при изготовлении слитков-электродов тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов в вакуумной дуговой гарнисажной печи.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению слитка псевдо -титановых сплавов. .

Изобретение относится к способу пирометаллургической переработки окисленных никелевых руд с получением ферроникеля. .

Изобретение относится к области измерительной техники. Техническим результатом заявляемого решения является отслеживание длины дуги в процессе плавки в вакуумной дуговой печи. Технический результат достигается тем, что в способе контроля процесса плавки в вакуумной дуговой печи, включающем образование колебательного контура с использованием кристаллизатора и измерение резонансной частоты колебательного контура, образуют колебательный контур из последовательно соединенных кристаллизатора, навесного конденсатора и расходуемого электрода с дугой. В указанном колебательном контуре возбуждают электромагнитные высокочастотные колебания и измеряют резонансную частоту, по величине которой определяют текущее значение длины дуги в вакуумной дуговой печи, изменение которой используют в качестве параметра контроля процесса плавки. 1 ил.

Изобретение относится к металлургии. Гильзу из сплава помещают в тигель установки вакуумно-дугового переплава. Осуществляют вакуумно-дуговой переплав электрода из сплава внутри гильзы, установленной в тигле. Полученный слиток сплава включает внешний слой, связанный металлургическим соединением с сердцевиной слитка. Обеспечивается снижение частоты появления трещин на поверхности слитка сплава во время горячего формования. 5 н. и 24 з.п. ф-лы, 9 ил., 5 табл., 4 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам выплавки титановых сплавов и может быть использовано при производстве полуфабрикатов, предназначенных для изготовления деталей газотурбинных двигателей, силовых установок, агрегатов авиационного, топливно-энергетического и морского назначения. Способ получения интерметаллидных сплавов на основе алюминида титана с повышенным содержанием ниобия и содержанием кислорода не более 0,08 мас.% включает подготовку шихты, содержащей в качестве исходных материалов титановую губку с легирующими компонентами и лигатуру, изготовление расходуемого электрода, его переплав с получением слитка интерметаллидного сплава. В качестве лигатуры используют стружку сплава, содержащего, мас.%: Nb 45-55, Ti 45-55, О2+N2 - не более 0,05, причем массовое количество лигатуры составляет 70 или 75 или 85% от общей массы шихты. Повышается химическая однородность слитков сплавов на основе алюминида титана с высоким содержанием ниобия и содержанием кислорода до 0,08 мас.% для обеспечения высоких механических и технологических свойств получаемых из него изделий. 6 табл., 4 пр.

Изобретение относится к получению слитков гафния. Прессуют брикеты из шихтового гафниевого материала с плотностью брикета не менее ρбр=7,2 г/см3. Формируют расходуемый электрод путем электронно-лучевой сварки брикетов. Проводят первый вакуумно-дуговой переплав полученного расходуемого электрода с силой тока дуги I=K1×Dсл, где коэффициент пропорциональности K1=70-220 А/см, Dсл - диаметр выплавляемого слитка, см, а затем проводят второй вакуумно-дуговой переплав в двухступенчатом режиме, причем сила тока дуги первой ступени I1=K2×Dсл, где коэффициент пропорциональности К2=220-350 А/см, а сила тока дуги второй ступени I2=К3×I1, где коэффициент пропорциональности К3=0,25-0,5. В качестве шихтового гафниевого материала может быть использован электролитический порошок гафния и дополнительно измельченный оборотный и/или иодидный гафний. Обеспечивается повышение качества получаемых слитков гафния за счет уменьшения литейных дефектов. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления рабочих лопаток ГТД. Способ получения высокотемпературного сплава на основе ниобия включает изготовление расходуемого электрода, плавку расходуемого электрода в вакуумной дуговой печи и разливку расплава. Готовят расходуемый электрод из шихтовых материалов в виде ниобия, кремния и по крайней мере одного из легирующих элементов, включающих титан, гафний, алюминий, хром, цирконий, молибден, вольфрам, олово и иттрий, плавку расходуемого электрода осуществляют с получением слитка, который затем подвергают переплаву в вакуумной индукционной печи при температуре 1800-2100°С в инертном керамическом тигле, выполненном по крайней мере из одного из оксидов иттрия, гафния, скандия или циркония, а разливку полученного расплава осуществляют в инертную форму. Полученные заготовки имеют равноосную структуру и однородный химический состав по всему объему и могут быть использованы для последующего литья с направленной структурой, что позволяет повысить ресурс и надежность работы авиационных газотурбинных двигателей. 4 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 пр.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для плавки и литья высокореакционных металлов и сплавов. В способе регулируют подачу расплава из первой камеры во вторую с обеспечением герметичности между ними посредством установленной в месте сообщения камер охлаждаемой вставки из переплавляемого металла, которую проплавляют по центру с помощью независимого источника плавления, при этом величину проплавляемого отверстия во ставке регулируют с обеспечением пропускной способности, соответствующей объему очищенного расплава. Устройство выполнено с возможностью регулирования подачи расплава из первой камеры во вторую, при этом первая и вторая камеры сообщены посредством охлаждаемой вставки из переплавляемого металла, при этом первая камера снабжена патрубком для удаления газовых примесей из расплава, а вторая камера - откачным патрубком, обеспечивающим возможность создания в ней более разреженного вакуума, чем в первой камере. Изобретение позволяет снизить энергозатраты, сократить производственный цикл, увеличить массу металла при плавлении и уменьшить габариты оборудования. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к изготовлению расходуемого электрода для выплавки слитков титан-алюминиевых сплавов, содержащих 15-63 мас. % алюминия. Способ включает приготовление шихты путем смешивания титановой губки и алюминиевого полуфабриката, подачу порций шихты в коническую матрицу и последующее проходное прессование. Титановую губку используют в виде сферических тел диаметром 10-25 мм, а алюминиевый полуфабрикат - в виде прутков с соотношением диаметр : длина = 1:1. Отношение линейных размеров алюминиевого полуфабриката к линейным размерам титановой губки составляет 2,5-3,5. Обеспечивается повышение механических свойств электродов. 1 з.п. ф-лы, 6 табл.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении расходуемых электродов для электрошлаковой или электродуговой переплавки для изготовления отливок из циркониевых сплавов. Исходные дисперсные материалы размалывают, просеивают, уплотняют, прессуют и обжигают с обеспечением прочности расходуемого электрода. В качестве исходных дисперсных материалов используют сухую смесь неметаллических материалов в виде оксида циркония 79-84 мас.% и каменноугольного пека 16-21 мас.%. Изобретение позволяет получить расходуемые электроды без использования дорогостоящих металлических шихтовых материалов. 1 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике. Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения межэлектродного промежутка. Способ включает измерение собственной резонансной частоты колебательного контура, возбужденного электромагнитными колебаниями, и содержащего плавящийся электрод с дугой, с учетом которой определяют межэлектродный промежуток и по величине которого контролируют процесс плавки. При этом возбуждение электромагнитных колебаний осуществляют в колебательном контуре, представляющем собой открытый резонатор, в качестве отражателей которого используют торец плавящегося электрода, выполненного со сквозным отверстием, через которое вводят электромагнитные колебания, и ванну жидкого металла в кристаллизаторе. 1 ил.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для плавки и литья химически активных металлов и их сплавов. Способ включает получение расплавленного металла в двух камерах, сообщающихся между собой с образованием гарнисажа в месте их сообщения, при этом в первой камере расплав получают с помощью электрической дуги между верхним расходуемым электродом и расположенным в кристаллизаторе нижним электродом и очищают расплав металла от газовых, легких и тяжелых примесей, осуществляют передачу расплавленного металла за счет проплавления гарнисажа из первой камеры во вторую камеру, в которой осуществляют доводку его путем электронно-лучевого нагрева, и последовательный слив очищенного расплавленного металла в кристаллизатор. В качестве нижнего электрода используют закладываемую в кристаллизатор первой камеры без операции ее прессования переплавляемую металлическую шихту, за время плавления верхнего электрода в первой камере наплавляют ванну металла при интенсивном ее перемешивании посредством соленоида с получением в кристаллизаторе первой камеры литого электрода, используемого в качестве верхнего расходуемого электрода для повторного переплава, после этого с помощью электронного луча осуществляют проплавление гарнисажа с образованием сливного отверстия и передачу оставшегося расплавленного металла во вторую камеру. Изобретение позволяет расширить технические возможности способа за счет снижения энергозатрат, сокращения производственного цикла, увеличения массы металла при плавлении, а также уменьшения габаритов оборудования и повышения качества металла. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков преимущественно из титановых сплавов. В способе на электрическую дугу одновременно осуществляют циклическое воздействие аксиальным магнитным полем с напряженностью 0,3×103÷7,0×103 Ам, периодом воздействия поля 2÷60 сек и паузой между периодами 0,1÷20 сек, а также радиальным вращающимся магнитным полем с напряженностью 0,4×103÷4,0×103 Ам, частотой переключения поля 0,01÷1 Гц, сменой направления вращения поля после 0,5÷20 оборотов. Изобретение позволяет создать управляемое перемещение дуги по поверхности ванны жидкого металла. 1 з.п. ф-лы.

Наверх