Способ плавки химически активных металлов и сплавов на их основе



Способ плавки химически активных металлов и сплавов на их основе
Способ плавки химически активных металлов и сплавов на их основе

 


Владельцы патента RU 2630138:

Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "Рутений" (RU)

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.

 

Предлагаемое изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для литья любых металлов, включая тугоплавкие и химически активные.

Известен способ электронно-лучевого переплава с холодным подом [1]. В этом способе исходный материал в виде шихты, губки, порошка или гранул перемещается с определенной скоростью из шихтового бункера в охлаждаемый тигель, в котором происходит плавление металла, а образующийся жидкий металл стекает в скользящий охлаждаемый кристаллизатор, образуя слиток нужного размера. Такой метод переплава может быть также назван электронно-лучевой переплав с промежуточной емкостью. По назначению и схеме осуществления он полностью идентичен широко используемому в промышленности плазменному переплаву.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве аналога, является гарнисаж расходуемый электрод (ГРЭ) [2] для плавки в гарнисаже слитков высокореакционных и тугоплавких металлов и сплавов на их основе, а также переплав ряда специальных марок сталей путем получения расплава металла в камере плавления, плавку металла ведут в вакууме или в атмосфере инертного газа, нагрев ведут с использованием электрической дуги, расплав металла скапливают в кристаллизаторе с образованием гарнисажа.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является двухэлектродный вакуумный дуговой переплав, который получил название способ VADER [3].

Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности использования и расширение технических возможностей за счет снижения энергозатрат, сокращения производственного цикла, увеличения массы металла при плавлении, уменьшения габаритов оборудования и повышение качества металла.

Поставленная задача решается тем, что заявляемый способ двухэлектродной комбинированной плавки заключается в получении расплава металла между двумя электродами в камере плавления электродуговым или электрошлаковым способом, который скапливается в кристаллизаторе с образованием гарнисажа, отличающийся тем, что плавление идет в двух камерах, в первой камере расплав производится электродуговым или электрошлаковым способом между верхним и нижним электродом, расположенными по вертикальной оси, где освобождается от газовых, легких и тяжелых примесей, а во второй камере расплав, поступая туда за счет проплавления гарнисажа электронно-лучевым или плазменным способом, доводится до более качественного состояния, далее расплав поступает в кристаллизаторы, формы, штампы, валки. Проплав гарнисажа проводят ниже уровня зеркала ванны расплава, но выше днища ванны расплава, проплавляя определенное по диаметру отверстие таким образом, чтобы при сливе расплав не захватывал легкие и тяжелые примеси, а также отделял атмосферу одной камеры от другой. В нижнем электроде идет закладка шихты без прессования, где во время плавления идет интенсивное перемешивание основного металла и лигатуры и после плавления нижний электрод идет на повторное плавление в качестве верхнего электрода. Устройство для комбинированной плавки содержит камеру плавления, кристаллизатор, промежуточную емкость, переплавляемые электроды, независимые источники плавления, отличается тем, что для плавления применяются две камеры, в первой вертикально расположены два электрода, с верхнего электрода расплав поступает в нижний электрод, расположенный в кристаллизаторе, одновременно являющийся первой промежуточной емкостью, а во второй камере расположены независимые источники плавления, вторая промежуточная емкость и кристаллизаторы, формы, штампы, валки и т.п. устройства, где кристаллизуется расплав. Для создания герметичности и регулирования подачи металла между камерами плавления намораживается гарнисаж из переплавляемого металла, а для более точной регулировки скорости подачи расплава металла в валки и штампы во второй камере применяется третья промежуточная емкость с возможностью наклона.

Заявляемый способ плавки иллюстрируются следующими примерами конкретного выполнения.

На фиг.1 изображено устройство для осуществления способа.

Устройство содержит первую камеру плавления 1, в которой размещен верхний расходуемый электрод 2 для осуществления электродугового способа плавки. Камера установлена на кристаллизаторе 3, имеющем определенную высоту, в который укладывается переплавляемая шихта, представляющая собой второй нижний электрод 4. После того как между верхним электродом 2 и нижним электродом 4 загорается дуга 5, начинает плавиться металл, стекая в кристаллизатор 3, образует жидкую ванну расплава металла 6. При этом на поверхность ванны расплава металла 6 начинают всплывать вредные легкие примеси 7, а на дно ванны расплава металла 6 опускаются тяжелые вредные примеси 8, вокруг ванны расплава в нижнем электроде формируется гарнисаж 9. После того как в нижнем электроде 4 наплавлена ванна расплава металла 6 определенной глубины, также на определенной глубине от зеркала ванны расплава металла 6 с внешней стороны гарнисажа 9 идет проплавление сливного отверстия 10 независимыми источниками плавления 11 (плазмотронами, электронными пушками, неплавящимся электродом, лазером и т.п.), которые установлены во второй камере плавления 12. Первая и вторая камеры могут иметь собственные отдельные откачные патрубки, которые обеспечивают создание независимой среды в камерах плавления. После проплавления отверстия 10 из первой камеры плавления 1 во вторую камеру плавления 12 начинает поступать расплав металла 6, попадая в промежуточную емкость 13, где дополнительно оседают вредные тяжелые примеси. Расплав металла в промежуточной емкости 13 обрабатывается дополнительным нагревом за счет независимых источников 11, при этом, находясь, например, в более разреженном вакууме, он начинает более интенсивно избавляться от растворенных в нем газовых примесей. После промежуточной емкости 13 расплав металла могут сливать в разные емкости, где кристаллизуется металл, место кристаллизации металла 14. Для интенсивного перемешивания расплава в первой камере плавления применяется соленоид 15.

На фиг.2 показаны различные модификации печи, где в месте кристаллизации металла размещены различные приемники расплава. В месте кристаллизации металла может находиться скользящий кристаллизатор (фиг.2а), для вертикальной вытяжки слитка. Также в месте кристаллизации металла может находиться обычный медный охлаждаемый кристаллизатор (фиг.2б). На третьей модификации изображен скользящий кристаллизатор для горизонтальной вытяжки слитка (фиг.2в). Расплав, попадая в скользящий горизонтальный кристаллизатор, кристаллизуется по нижней и боковой плоскости, а верхняя ванна расплава кристаллизуется за счет охлаждения прижимного валка, противоположно которому внизу располагается второй валок. Кристаллизованный по поверхности металл может дополнительно обжиматься второй парой валков, которые одновременно могут вытягивать слиток из кристаллизатора.

На четвертой модификации производится заливка керамических или металлических форм для производства фасонных отливок (фиг.2г). На пятой модификации производится заливка расплава в валки для жидкой прокатки металла (фиг.2д), где печь дополнительно снабжена поворотной промежуточной емкостью для быстрого слива большого объема металла.

На шестой модификации производится заливка расплава во вращающуюся центробежную форму. Это позволит наладить производство тел вращения - колец, труб или баллонов. Ось вращения формы может быть горизонтальной, вертикальной или наклонной. Центробежная заливка металла способствует формированию наиболее мелкозернистой структуры, так как кристаллизация расплава идет послойно и под давлением.

Другие модификации печей могут быть снабжены прессующими механизмами для жидкой штамповки металла и различными устройствами.

На фиг.2а изображена модификация комбинированной печи, где расплав металла может из промежуточной емкости поступать в скользящий вертикальный кристаллизатор. На сегодня данная конструкция кристаллизаторов широко используется в плазменных и электронно-лучевых печах, но данные печи имеют недостаток по низкой скорости производства металла, низкой возможности перемешивания и имеют высокие энергозатраты.

Основной недостаток печей с вертикальной вытяжкой слитка - большие габариты - это приводит к тому, что печи данного типа становятся очень дорогими, сложными в эксплуатации, требуют большого цехового пространства, строятся длительное время и очень долго окупаются. Конструкция печей с вертикальной вытяжкой была разработана во времена, когда работа лучевых пушек и плазмотронов была ненадежной и мощность была небольшой. Но, используя двухэлектродный комбинированный переплав, печь значительно увеличивает производительность и снижает энергозатраты, габариты и время производства.

На фиг.2б изображена модификация комбинированной печи с выпуском слитка при заливке расплава в стационарный кристаллизатор. Данная модификация наиболее подходит для переплава металла в слитки, которые, не остывая, могут идти через шлюзы на деформацию. Также данная модификация позволяет производить слитки с особокачественным выравниванием хим. состава, и этот слиток может поступать на поворотный переплав.

На фиг.2в в горизонтальном кристаллизаторе идет формирование плоского слитка с высокой скоростью кристаллизации, которая усиливается за счет деформации в прокатных валках. Таким способом можно производить более тонкие и длинномерные слитки, имеющие высокое качество структуры металла.

Эти модификации печей могут использовать шлюзы, поэтому печи могут работать в полунепрерывном режиме, выпуская уже нагретые плиты, слябы и прутковые заготовки для деформации. Данные печи могут быть размещены в прокатном, прессовом или кузнечном цехе, что даст очень большой эффект по снижению энергозатрат.

На фиг.2г изображена печь для производства фасонных деталей в керамические или металлические формы, которые, двигаясь по конвейеру, последовательно наполняются расплавом.

На фиг.2д изображена печь для производства листов, плит или слябов как под дальнейшую прокатку, так и непосредственно в готовую продукцию. Эта модификация печи может быть снабжена дополнительной промежуточной поворотной емкостью. Данная емкость позволяет накапливать определенный объем расплава металла и позволяет его сливать в форму или валки с большой скоростью. Эта модификация особенно пригодна для литья фасонных деталей как в металлические, так и керамические формы. Также выгодно использовать эту модификацию, если нужно заполнить сначала один кристаллизатор, а затем другой, не теряя расплава при перемещении.

На фиг.2е изображена печь для производства тел вращения типа колец или труб. Структура производимых изделий имеет мелкозернистое строение в связи с тем, что кристаллизация идет послойно и под давлением.

Способ комбинированной плавки предназначен для наиболее экономичной выплавки металла с одновременным повышением его качества. Данный способ особенно актуален при выпуске химически-активных металлов, таких как титан и цирконий.

Если сравнить предлагаемый способ с классическим способом (ВДП), то можно отметить значительные отличия, касающиеся очистки металла от легких и тяжелых примесей. Способ ВДП, которым на сегодня производится основная выплавка титана и циркония, не имеет возможности чистить металлы от нелетучих тяжелых и легких примесей.

Способ VADER также не имеет таких возможностей, но его отличие от ВДП в том, что на плавление идет энергозатрат меньше на 40% ввиду переплава сразу двух электродов, которые расположены горизонтально над кристаллизатором.

Предлагаемый способ двухэлектродной комбинированной плавки (ДКП) позволяет очищать металл от легких и тяжелых примесей за счет того, что получение расплава идет в первой камере, где остаются примеси, а формирование его в изделие во второй камере. Чистый расплав из ванны забирается в том месте, где нет легких и тяжелых примесей. Предлагаемый способ, как и способ VADER, позволяет снизить энергозатраты на стадии вакуумно-дугового переплава, так как расплав образуется при плавлении двух электродов. Поэтому тепло почти не сбрасывается на охлаждаемый кристаллизатор, а экранируется нижним электродом. В отличие от VADER экономия энергии может быть не менее 50%, так как расплав образуется при плавлении двух электродов и скапливается в нижнем электроде, постоянно обогреваясь дугой. При образовании расплава в способе VADER капли металла, падая в кристаллизатор, проходят большое расстояние, поэтому более интенсивно теряют тепло излучением.

Другой отличительной особенностью предлагаемого способа является возможность изготовления из нижнего электрода предшествующей плавки верхнего электрода для повторной плавки. Способ ГРЭ также имеет возможность использовать гарнисаж предшествующей плавки в качестве электрода, тем самым, способ ГРЭ независим от поставок электродов со стороны. Для проведения вакуумно-дугового переплава на печи ВДП и VADER требуются предварительно спрессованные электроды.

В предлагаемом способе электрод для последующей плавки формируется следующим образом. В кристаллизатор укладывается шихта, состоящая из крупных кусков металла, порошка, стружки или отдельных прессованных брикетов из губки, тем самым, формируется нижний электрод без операции прессования. Схема полностью идентична способу ГРЭ. Такой электрод будет в меньшей степени проводить тепло и в большей степени будет его аккумулировать. После плавления верхнего электрода на месте нижнего непрессованного электрода будет получен литой электрод, который в дальнейшем будет использоваться в качестве верхнего электрода. В данном электроде за время плавления верхнего электрода образуется ванна расплава, которая, интенсивно перемешиваясь, создает необходимый сплав.

Для создания различной атмосферы, если того требует технологический процесс в первой и второй камерах плавления, в месте их сообщения намораживается гарнисаж. Таким образом, в первой камере плавление металла может протекать в газовой среде до одной и более атмосферы, а во второй камере плавление может производиться при глубоком вакууме до 10-3 Па и более. Способ позволяет в первой камере плавить металл с большим содержанием газа (хлора, водорода и т.п.), а во второй камере полученный расплав дополнительно очищать электронным лучом, который работает только в вакууме. Сразу плавить металл с большим содержанием газа лучом нельзя, так как выделяемый из металла газ не дает работать лучу.

На сегодня качественные сплавы титана приходится получать тройным переплавом ВДП. При такой схеме на один кг титана будет расходоваться не менее 3 кВт энергии, так как расход энергии при ВДП составляет 1 кВт/кг титана. Дополнительно нужна энергия для изготовления шихты и прессования электрода. При двухэлектродном комбинированном переплаве (ДКП) на один кг титана будет затрачено 0,8 кВт, что меньше почти в четыре раза. При двухэлектродном вакуумно-дуговом переплаве расход энергии составит примерно 0,7 кВт/кг титана. При подогреве электронным лучом расплава затраты энергии составляют не более 5% от общих затрат на электронно-лучевой переплав, который составляет 2 кВт/кг. Следовательно, суммарные затраты энергии примерно составляют 0,8 кВт/кг титана.

На сегодня прессование электрода для печей ВДП считается дорогостоящим процессом и его себестоимость примерно равна себестоимости пяти переплавов ВДП. В данном случае, используя нижний электрод в качестве теплоизолятора для снижения энергозатрат, одновременно появляется возможность изготовления нового электрода для повторной плавки. Тем самым, для производства появляется возможность исключить дорогостоящую операцию прессования электродов для осуществления вакуумно-дугового переплава, что значительно снижает себестоимость производимой продукции.

Печи ГРЭ на сегодня, производя электрод под последующий переплав ВДП массой всего 4 тонны, имеют высоту более 25 метров и массу более 250 тонн, т.е. масса печи превышает массу выпускаемой продукции более чем в 60 раз. Этот показатель отмечает несовершенство оборудования. Печи двухэлектродного комбинированного плавления (ДКП) для производства электрода массой 4 тонны будут иметь габариты по высоте менее 3 метров и массу менее 15 тонн. Печь ГРЭ работает по тому же принципу, что и предлагаемая ДКП. Перед плавлением в медный кристаллизатор (тигель) укладывается шихта и далее плавится расходуемым электродом, полученным в этом кристаллизаторе от предшествующей плавки. Но при этом предлагаемая печь ДКП от печи ГРЭ существенно отличается следующим. Электрод, полученный на печи ГРЭ, имеет форму плоской призмы, что не позволяет расплаву в тигле удерживать значительное количество тепла. Форма электрода на предлагаемой печи ДКП - цилиндр, у которого меньшая поверхность и большой внутренний объем. Это способствует большему удержанию тепла в расплаве. Более того, цилиндрическая форма позволяет использовать соленоид, как на печи ВДП, это позволяет более интенсивно перемешивать расплав в нижнем электроде. Но основное отличие печи ДКП от печи ГРЭ, это возможность перелива расплава из первой камеры во вторую камеру плавления без подъема и поворота тигля. Данное отличие позволяет делать печи ДКП очень малых габаритов. На тот же тоннаж выплавляемого металла печь ДКП меньше по своему объему печи ГРЭ примерно в 30 раз. Внутренний объем печи ГРЭ на 4 тонны титана составляет 180 м3, внутренний объем печи ДКП на 4 тонны титана составляет 6 м3. Более того, печь ГРЭ, используя расходуемый электрод массой 12 т, сливает в кристаллизатор только 4 т. Печь ДКП позволяет сливать в кристаллизатор всю массу расходуемого электрода.

Предлагаемый способ ДКП позволяет более эффективно производить различные сплавы, так как процесс плавления интенсивно производит растворение лигатуры в основном металле. За счет электромагнитного перемешивания соленоидом, расплава в первой камере основной металл и лигатура в нижнем электроде смешиваются на протяжении всей плавки. На второй стадии нижний электрод плавится второй раз в качестве верхнего электрода. Полученный расплав с этого электрода падает во вращающуюся ванну расплава, поэтому интенсивность перемешивания в данном случае более высокая, чем на печах-аналогах. На третьей стадии расплав, поступая во вторую камеру плавления, так же перемешивается в промежуточной емкости.

После окончания плавления высота нижнего электрода будет ограничена уровнем, по которому проплавляется сливное отверстие 10. Оптимальное соотношение диаметра и высоты верхнего и нижнего электрода может находиться в пределах от 1:1 до 1:0,25. Это соотношение позволяет практически полностью проплавлять нижний электрод и одновременно уменьшать сброс тепла на кристаллизатор.

Предлагаемое изобретение для титановой промышленности может иметь большое практическое значение в плане ухода от дорогостоящей и низкопроизводительной операции прессования электродов.

Другое немаловажное практическое значение изобретения - это возможность ухода с электродов малого диаметра на электроды большего диаметра. На сегодня одна из крупных Российских титановых компаний «Корпорация ВСМПО-Ависма» вынуждена прессовать электроды под вакуумно-дуговой переплав диаметром 400÷650 мм. Это связано с тем, что электрод, прессованный на 70% из губки и на 30% из лигатуры с отходами, должен быть хорошо пропрессован, чтобы иметь достаточную механическую прочность для переплава. Данный процесс требует применения мощных прессов, усилием до 100 мН. Не все титановые компании имеют возможность приобретения подобных прессов, поэтому применяют технологию прессования отдельных брикетов с последующей сваркой в электрод.

Также процесс прессования электродов малого диаметра для печи ВДП связан с тем, что слиток после плавления должен быть не слишком большого диаметра. Исходя из опыта практических наработок, известно, что металл слитка ВДП диаметром более одного метра путем последующей деформации нельзя довести до мелкозернистой структуры, соответствующей высоким механическим свойствам. Поэтому производство вынуждено прессовать электроды малого диаметра, чтобы за два или три последующих переплава не превысить диаметр слитка в один метр. Схема прессования электродов небольшого диаметра приводит к высоким затратам и низкой производительности. Для увеличения производительности электроды приходится делать большой длины. Это соответственно приводит к тому, что печи ВДП имеют очень большие габариты по высоте. При производстве слитка средней массой 8 т печь достигает высоты более 15 м.

Данный пример показывает, что технология плавления слитков на печах ВДП неоптимальна с точки зрения производительности и качества, так как для снижения производственных затрат на стадии выплавки слитков необходимо увеличивать производительность печи и стремиться плавить электроды как можно большего диаметра. Для повышения качества и снижения затрат на стадии обработки металла давлением слитков необходимо их производить как можно меньшего сечения.

Печи ВДП на сегодня в плане повышения производительности и в плане повышения качества титана все больше начинают сдерживать развитие титановых предприятий. При этом печи ГРЭ, электронно-лучевые и плазменные печи современных конструкций не могут составить конкуренции печам ВДП, так как имеют более низкую производительность и значительно более высокую стоимость.

В случае применения изобретения двухэлектродной комбинированной плавки на производстве отпадает необходимость применения электродов малого диаметра. Так, например, используя электрод диаметром 1,2 м и высотой 1,2 м, печь сможет за одну плавку производить более 6 т титана, а при использовании электрода диаметром 1,6 м и высотой 1,6 м масса плавки будет соответственно 15 т. При этом габарит по высоте первой печи будет не более 3 м, а второй не более 4 м. Данное преимущество позволит значительно снизить себестоимость строительства и обслуживания печей, не считая снижения энергозатрат и повышения качества производимого металла.

В будущем двухэлектродные комбинированные печи ввиду их более высокой производительности и более высокого качества производимого металла, а также более низких энергозатрат и себестоимости смогут вытеснить с производства классические печи ВДП, ГРЭ, обычные электронно-лучевые и плазменные печи. Печи ДКП сочетают в себе основные положительные стороны перечисленных классических печей. От вакуумно-дугового переплава печь забрала надежность, простоту, скорость и экономичность при получении расплава. От электронно-лучевых и плазменных печей предлагаемая печь забрала возможность очистки расплава от тяжелых и летучих примесей, а также возможность значительного перегрева расплава. От печи ГРЭ печь забрала возможность производства большого объема расплава, который можно с большой скоростью сливать в металлоприемник и возможность производства нового электрода для повторной плавки. Так, например, если сравнить по основным параметрам эффективность предлагаемой печи ДКП с печами ВДП и ЭЛП, то необходимо отметить следующее.

Скорость производства расплава титана на печах ВДП при плавлении электрода диаметром 750 мм и расходе мощности 1 МВт достигает 35 кг/мин. Печь ЭЛП на той же мощности, используя пять электронно-лучевых пушек, достигает скорости плавления титана 10 кг/мин. Для того чтобы на печи ЭЛП достичь скорости плавления 35 кг/мин, необходимо повысить ее мощность до 3,5 МВт и использовать 18 электронно-лучевых пушек. При использовании печи ДКП мощностью 1 МВт, где будет применен электрод диаметром 750 мм, скорость плавления титана сможет достигать не менее 52 кг/мин, так как печь двухэлектродная и это ей позволяет экономить до 50% энергии по сравнению с печами ВДП, кроме того, электронно-лучевой подогрев расплава дополнительно увеличивает производительность печи ДКП. Чтобы достичь такой скорости плавления на электронно-лучевой печи, потребуется увеличить ее мощность до 5,2 МВт, при этом используя 26 электронно-лучевых пушек.

Если печь ДКП будет использовать переплавляемый электрод диаметром 1500 мм, то она будет производить расплав со скоростью 208 кг/мин. Для этого ей потребуется мощность 4 МВт. Чтобы достичь такой скорости плавления на печи ЭЛП, ее мощность нужно увеличить до 20 МВт, а количество пушек довести до 100 шт. Печь ВДП на сегодня не имеет возможности плавить электроды 1500 мм в диаметре, так как после плавления полученный слиток невозможно будет обработать давлением. Данное сравнение показывает новые качественные отличия и возможности печей ДКП.

Если использовать возможности печей ДКП для производства заготовок под ковку и прокатку из сложных высоколегированных сплавов, то на практике возможно реализовать следующую схему. На печи ДКП, где габариты электрода имеют соотношение по диаметру и высоте 1:1, возможно производство электродов для второй печи ДКП, где габариты имеют соотношение 1:0,25. Тем самым, на первой печи будет произведен переплав отходов или губки с необходимой лигатурой в четыре слитка, которые гарантированно имеют заданный химический состав и очищены от легких и тяжелых включений. Далее полученные слитки идут на повторный переплав на второй печи, которая имеет значительно меньшие габариты за счет меньшей высоты электрода, при этом скорость производства расплава на этой печи остается прежней. Так, например, если печь ДКП использует электрод диаметром 1500 мм, высота электрода составит 375 мм, следовательно, общая высота печи будет не более 1,5 м. Печи такого габарита могут размещаться в кузнечно-прокатных цехах, не занимая большего цехового пространства. Следовательно, появляется возможность использования остаточного тепла заготовок после их плавления под деформацию. Например, данная печь, находясь в прокатном цехе, может производить расплав со скоростью 208 кг/мин. Данный расплав возможно направить на производство листа методом жидкой прокатки. Если ширина листа будет 1 м, а скорость его вытяжки в минуту будет 10 м, то лист можно будет производить толщиной 4,6 мм.

Скорость производства расплава играет ключевую роль при создании новых технологий, так, например, для жидкой прокатки или штамповки требуется большой объем расплава, поступающий к месту обработки.

Сегодняшние электронно-лучевые и плазменные печи не имеют возможности производить расплав металла с высокой скоростью, поэтому они используют схему производства слитков с вертикальной вытяжкой в скользящем кристаллизаторе, где требуется интенсивный обогрев зеркала ванны расплава. Это необходимо для качественного формирования боковой поверхности слитка. Данная схема приводит к повышенному расходу энергии и снижает качество структуры металла за счет укрупнения кристалла. При увеличении скорости производства расплава появляются большие технологические возможности. Больший объем расплава из жидкого состояния, переходя в твердое, выделяет достаточно большое количество тепловой энергии (до 25% от общей поглощенной энергии для титана). Поэтому подогревать в кристаллизаторе расплав можно с меньшей интенсивностью. Так, например, можно будет производить слитки меньшего сечения с меньшим обогревом ванны расплава в кристаллизаторе, используя горизонтальную вытяжку. Это позволит производить слитки с мелкозернистой структурой и позволит делать более компактные печи небольшой высоты, без рытья котлованов.

Таким образом, комбинированный способ выплавки металла может быть наиболее оптимальным процессом, позволяющим достичь более высокого качества метала с более низкими энергозатратами. Как было сказано выше, двойной или тройной переплав ВДП более энерогозатратен и низкопроизводителен, а кроме того, не имеет гарантии качества от возможного попадания в слиток вредных включений, т.е. данный способ не позволяет очищать расплав, отделяя от него тяжелые и легкие примеси. Кроме того, по сравнению с печью ДКП, удаление газов во время плавки из печи ВДП затруднено из-за большой длины печи. Плазменный и электронно-лучевой переплав энергозатратны и плохо перемешивают расплав, что затрудняет создание высоколегированных сплавов, поэтому способ двухэлектродной комбинированной плавки позволяет объединить у вышеперечисленных способов их лучшие качества и позволяет добиваться новых возможностей, которые эти способы не имеют по отдельности.

В связи с вышеизложенным предлагаемое изобретение может быть полезно для широкого внедрения на производстве.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.А. Андреев. Плавка и литье титановых сплавов. М.: Металлургия, 1994. С.182÷184.

2. А.А. Андреев. Плавка и литье титановых сплавов. М.: Металлургия, 1994. С.195÷211.

3. А.А. Андреев. Плавка и литье титановых сплавов. М.: Металлургия, 1994. С.224÷230.

1. Способ плавки химически активных металлов и сплавов на их основе, включающий 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, отличающийся тем, что 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.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проплавление гарнисажа проводят ниже уровня зеркала ванны металла с проплавлением отверстия, диаметр которого позволяет слив расплава металла без захвата легких и тяжелых примесей и отделение атмосферы одной камеры от другой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению высококачественных слитков и заготовок изделий из легированных интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления рабочих лопаток ГТД.

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.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для плавления и литья металлического материала. Устройство содержит плавильное пространство, пространство рафинирования, соединяющееся по текучей среде с плавильным пространством, приемный резервуар, соединяющийся по текучей среде с пространством рафинирования, содержащий первую зону выпуска металлического материала в первом положении в приемном резервуаре и вторую зону выпуска металлического материала во втором положении в приемном резервуаре, и по меньшей мере один источник энергии для плавления металлического материала, выбранный из группы, состоящей из электронно-лучевой пушки и плазменного генератора, причем приемный резервуар дополнительно содержит первый проточный канал расплавленного материала, определяемый в первом положении, если по меньшей мере один источник энергии для плавления сконфигурирован и используется для направления энергии в первую зону выпуска, обеспечивая поток расплавленного материала в первой зоне выпуска, и второй проточный канал расплавленного материала, определяемый во втором положении, если по меньшей мере один источник энергии для плавления сконфигурирован и используется для направления энергии во вторую зону выпуска, обеспечивая поток расплавленного материала во второй зоне выпуска.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для производства слоистых слитков. Способ включает плавление металлической шихты и рафинирование получаемого расплава, при этом осуществляют плавление металлической шихты и рафинирование получаемого расплава в тигле, разделенном на секции проплавляемыми пластинами, состав которых соответствует составу загружаемой в каждую секцию тигля металлической шихты, путем поочередного проплавления с помощью электронно-лучевых пушек в каждой секции шихты и упомянутой проплавляемой пластины с получением металлического расплава, который сливают в один кристаллизатор через сливы в тигле для формирования слоистого слитка, при этом перед загрузкой шихты место слива металлического расплава в каждой секции закрывают предварительно очищенной от примесей металлической пластиной.

Изобретение относится к переработке лейкоксеновых концентратов с высоким содержанием кремния. Способ и устройство для переработки упомянутых концентратов основаны на плазменно-дуговой восстановительной плавке концентрата при температуре 2500-3000 К и атмосферном давлении.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к электротермической технике. Плазменно-дуговая сталеплавильная печь постоянного тока содержит керамический тигель с ванной металла, вертикальный плазмотрон, установленный в своде печи, и подовый электрод, установленный соосно вертикальному плазмотрону.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при электронно-лучевом переплаве металла с донным сливом для формирования отливок сложной конфигурации.

Предложен способ пирометаллургической переработки никельсодержащего сульфидного материала с использованием флюсовой композиции, содержащей соединение кальция.

Изобретение относится к металлургии. Титановый сплав плавят в течение заданного времени методом индукционной плавки в холодном тигле 5 и подают расплав в холодный под 10.

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике. Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения межэлектродного промежутка.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении расходуемых электродов для электрошлаковой или электродуговой переплавки для изготовления отливок из циркониевых сплавов.

Изобретение относится к изготовлению расходуемого электрода для выплавки слитков титан-алюминиевых сплавов, содержащих 15-63 мас. % алюминия.

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.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления рабочих лопаток ГТД.

Изобретение относится к получению слитков гафния. Прессуют брикеты из шихтового гафниевого материала с плотностью брикета не менее ρбр=7,2 г/см3.

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.

Изобретение относится к металлургии. Гильзу из сплава помещают в тигель установки вакуумно-дугового переплава.

Изобретение относится к области измерительной техники. Техническим результатом заявляемого решения является отслеживание длины дуги в процессе плавки в вакуумной дуговой печи.
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.
Наверх