СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ПЕРЕПЛАВА ГУБЧАТОГО ТИТАНА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C22B34/12 C22B9/22 

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть найти применение при получении слитков и слябов технического титана коммерческой чистоты.

Известен способ электронно-лучевого переплава шихты на основе уплотненного губчатого титана, включающий изготовление расходуемой заготовки путем прессования губки, подачу расходуемой заготовки в зону действия электронных лучей, нагрев и оплавление торца расходуемой заготовки над промежуточной емкостью, слив жидкого металла в кристаллизатор и формирование в нем слитка [1]
Известна электронно-лучевая установка для переплава губчатого титана, содержащая электронные пушки с отклоняющими системами, промежуточную емкость и кристаллизатор [1]
Недостатками способа и установки являются:
низкий выход годного металла из-за его сильного разбрызгивания вследствие затрудненного выхода газов и летучих компонентов из прессованной заготовки в процессе ее оплавления;
большой удельный расход электроэнергии и снижение производительности установки, связанные с необходимостью снижения скорости плавления из-за нестабильности работы традиционных электронных пушек с накаленным катодом, находящихся под воздействием непрерывного потока газов и паров переплавляемого металла из технологической камеры в пушку, возникающего в условиях неравномерного, часто взрывного характера газовыделения из расплавляемого металла и достигающей 1-3 порядка разности давлений между пушкой и камерой плавки:
высокие себестоимость и трудоемкость процесса изготовления прессованной расходуемой заготовки, что приводит к ухудшению сквозных технико-экономических показателей электронно-лучевого переплава губчатого титана.

Известен способ электронно-лучевого переплава губчатого титана, включающий загрузку неуплотненного губчатого титана в водоохлаждаемую наклоняемую каретку, в которой производят нагрев и плавление губчатого титана, стекающего затем в промежуточную емкость, слив жидкого металла из промежуточной емкости в кристаллизатор и формирование в нем слитка [2]
Известна электронно-лучевая установка для переплава шихты на основе губчатого титана, содержащая электронные пушки с отклоняющими системами, водоохлаждаемую наклоняемую каретку, заполняемую губчатым титаном, промежуточную емкость и кристаллизатор [2]
Недостатками способа и установки являются:
низкий выход годного металла из-за разбрызгивания его при взрывообразном выделении газов, хлоридов магния, натрия и других летучих компонент, сопровождающего расплавление мелких твердых кусков, попадающих из каретки в жидкий металл;
вынужденное снижение производительности, а иногда и прекращение технологического процесса вследствие нестабильности электронного нагрева традиционными термоэлектронными пушками, чувствительными к изменению давления в камере плавки, из-за попадания в промежуток катод-анод испаряющихся хлоридов магния, натрия и других летучих компонент, из-за частой потери при этом электрической прочности пушки (пробоев), из-за потери эмиссии и быстрого разрушения катода (иногда за 3-4 часа) вследствие отравления его парами переплавляемого металла и в итоге из-за выхода из строя пушки и остановки плавильной установки.

Наиболее близкими к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту являются способ и установка для получения слитка из металлического скрапа, например губчатого титана [3]
Способ включает изготовление расходуемого контейнера в виде титановой трубы с дном, заполнение его губчатым титаном, подачу в зону действия электронных лучей, нагрев и оплавление торца расходуемого контейнера над промежуточной емкостью, рафинирование металла в промежуточной емкости при постоянной мощности нагрева, слив жидкого металла в кристаллизатор и формирование в нем слитка.

Установка для осуществления этого способа в качестве источников нагрева содержит электронные пушки с отклоняющими системами, промежуточную емкость и кристаллизатор.

Основными недостатками указанного способа и установки являются:
большой расход электроэнергии;
низкая производительность и высокие потери на разбрызгивание металла из-за неоптимального расхода энергии на рафинирование металла в промежуточной емкости и формирование слитка в кристаллизаторе;
неоптимальное распределение мощности нагрева между поверхностью оплавляемого торца расходуемого контейнера и зеркалом металла в промежуточной емкости, из-за чего не успевают пройти процессы дегазации металла и испарения из него летучих компонент, так как при удовлетворительной производительности и приемлемом расходе электроэнергии металл подается под электронный луч быстрее, чем может распространяться фронт температуры плавления вдоль расходуемого контейнера;
нестабильность электронного нагрева, связанная с потерей электрической прочности (пробоями) в традиционных термоэлектронных пушках;
низкие технико-экономические показатели для процесса в целом также, как и для аналогичного способа и установки [2]
Техническим результатом изобретения является повышение выхода годного металла в слиток, оптимальное распределение энергии, затрачиваемой на рафинирование металла в промежуточной емкости и на формирование слитка в кристаллизаторе, снижение при этом удельного расхода электроэнергии, повышение производительности установки и стабилизация технологического процесса.

Технический результат достигается тем, что в способе электронно-лучевого переплава губчатого титана, включающем изготовление расходуемого титанового контейнера, заполнение его губчатым титаном, подачу заполненного расходуемого контейнера в зону действия электронных лучей, нагрев и оплавление его торца над промежуточной емкостью, рафинирование металла в промежуточной емкости при постоянной мощности нагрева, слив жидкого металла в кристаллизатор и формирование в нем слитка, подачу расходуемого контейнера осуществляют с линейной скоростью равной или меньшей линейной скорости распространения фронта температуры плавления, обеспечивающей дегазацию и испарение хлоридов магния или натрия, поддерживая при этом приведенную энергию (отношение энергии), затраченной на производство 1 кг металла, к площади поверхности его расплава) на рафинирование металла в промежуточной емкости и на формирование слитка в кристаллизаторе в пределах 3-10 кВт.ч//кг.м² и 0,5-2,5 кВт.ч/кг.² соответственно. В установке для электронно-лучевого переплава губчатого титана, содержащей в качестве источников нагрева электронные пушки с отклоняющими системами, расходуемый контейнер, промежуточную емкость и кристаллизатор, в качестве источников нагрева установлены газоразрядные электронные пушки, уровень рабочего давления которых вше давления в камере плавки, в частности, электронные пушки высоковольтного тлеющего разряда, причем отношение расстояния между отклоняющими системами пушек и промежуточной емкостью к ее площади не менее 3 м^-1.

Указанные отличительные признаки предлагаемых способа и установки являются существенными, так как обеспечивают оптимальное распределение мощности нагрева между поверхностью оплавляемого торца расходуемого контейнера и зеркалом металла в промежуточной емкости при оптимальной величине приведенной энергии плавки и при оптимальном соотношении расстояния между отклоняющими системами электронных пушек и площадями реакционных поверхностей жидкого металла, что исключает образование неплавящихся участков на оплавляемом торце расходуемой заготовки независимо от геометрических размеров отдельных кусков губки, высокую производительность установки с высоким выходом годного металла и низким удельным расходом электроэнергии, а также стабильность технологического процесса при высоком качестве слитков.

Пределы технологического режима электронно-лучевого переплава губчатого титана и конструктивные особенности установки выбраны на основе экспериментальных исследований полученных слитков.

Нижний предел величины приведенной энергии плавки, равный 3 кВт.ч/кг.м² при рафинировании металла в промежуточной емкости ограничивает наиболее оптимальные условия для удаления из расплава летучих компонент, газообразных примесей и неметаллических включений. При такой величине приведенной энергии плавки обеспечивается минимальный объем жидкого металла в промежуточной емкости при его контакте с боковыми стенками без образования твердой корки. Уменьшение нижнего предела ведет к снижению площади реакционной поверхности жидкого металла в промежуточной емкости, а следовательно и к уменьшению объема жидкой ванны металла из-за подмораживания его у стенок, причем скорость подачи расходуемого контейнера под электронный луч становится большей, чем скорость распространения фронта температуры плавления, обеспечивающая дегазацию металла и испарению хлоридов.

Верхний предел величины приведенной энергии плавки при рафинировании металла, равный 10 кВт. ч/кг.м², обусловлен экономической целесообразностью процесса плавки, так как превышение этого предела ведет к неоправданному увеличению расхода электроэнергии и потерь металла испарения и связано с существенным снижением производительности установки.

Нижний предел величины приведенной энергии плавки при формировании слитка, равный 0,5 кВт.ч/кг.м², определяет минимальный объем жидкой ванны металла в кристаллизаторе, гарантирующий формирование качественной боковой поверхности слитка без образования непроплавленных участков. Уменьшение этого предела приводит не к полному, а частичному заполнению кристаллизатора жидким металлом, что способствует образованию непроплавленных участков и трещин при вытягивании слитка.

Верхний предел величины приведенной энергии плавки при формировании слитка в кристаллизаторе, равный 2,5 кВт.ч/кг.м², является границей, за которой нарушается оптимальная форма фронта кристаллизации жидкого металла, обеспечивающая равномерное распределение примесей и неметаллических включений как по сечению, так и по длине слитка. Увеличение этого предела приводит к изменению формы жидкой ванны металла в кристаллизаторе от плоской до U-образной, что неблагоприятно сказывается на структуре слитка и распределении в нем примесных элементов и неметаллических включений.

В предлагаемой установке для осуществления способа электронно-лучевого переплава губчатого титана в качестве источника нагрева установлены газоразрядные электронные пушки, рабочее давление которых выше давления в камере плавки, в частности, электронные пушки высоковольтного тлеющего разряда, характерной особенностью которых является нечувствительность к разбрызгиванию металла и устойчивая работа при повышенном давлении в камере плавки вплоть до долей мм рт.ст. причем отношение расстояния между отклоняющими системами пушек и промежуточной емкостью к ее площади не менее 3 м^-1.

Уменьшение этого отношения приводит к тому, что большая часть заданной мощности вкладывается в поверхность оплавляемого торца расходуемого контейнера, что влечет за собой экономически нецелесообразное увеличение потерь металла испарением, повышение удельного расхода электроэнергии и снижение производительности установки.

Таким образом, совокупность технологических параметров процесса электронно-лучевого переплава губчатого титана и конструктивных особенностей установки для его осуществления обеспечивает получение слитков технического титана коммерческой чистоты с высокими технико-экономическими показателями технологического процесса (выход годного металла, удельный расход электроэнергии, производительность).

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1, 2, 3 показана схема реализации способа и установки для электронно-лучевого переплава губчатого титана, соответственно вид спереди, вид сверху и вид слева.

Установка содержит электронные пушки 1 (a, b, c, d) с отклоняющими системами 2 (a, b, b, d) расходуемый контейнер 3, заполненный губчатым титаном 4, промежуточную емкость 5, кристаллизатор 6, формируемый в кристаллизатор 6 слиток 7 вытягивают с помощью поддона 8. Нагрев поверхностей 9 и 10 жидкого металла в промежуточной емкости 5 и кристаллизаторе 6 осуществляют электронными лучами 11 (a, b, c, d) в камере плавки 12.

Стрелкой указано направление подачи расходуемого контейнера 3 в зону действия электронных лучей 11 (a, b, c, d).

Процесс электронно-лучевого переплава губчатого титана в установке осуществляют следующим образом.

Изготавливают расходуемый контейнер 3 прямоугольного сечения из титанового листа, заполняют его по мере возможности равномерно по сечению и по длине губчатым титаном 4 в количестве, достаточном для выплавки, по крайней мере, одного слитка, и устанавливают в устройство горизонтальной подачи (на чертеже не показано).

Отношение расстояния L между отклоняющими системами 2 (a, b, c) пушек 1 (a, b, c, ) и промежуточной емкостью 5 к ее площади S должно находиться в пределах не менее 3 м^-1.

Установку вакуумируют. По достижении в камере плавки рабочего давления включают цепи питания и управления электронных пушек 1 (a, b, c) и подают расходуемый контейнер 3 в зону действия электронных лучей 11 (a, b, c) пушек 1 (a, b, c), где под их воздействием оплавляется торец расходуемого контейнера 3 и жидкий металл стекает в промежуточную емкость 5. После заполнения промежуточной емкости 5 жидкий металл самотеком стекает в кристаллизатор 6 на поддон. Включают электронную пушку 1 d с отклоняющей системой 2 d для обогрева поверхности 10 жидкого металла в кристаллизатор 6.

После начала слива металла из промежуточной емкости 5 в кристаллизатор 6, в зависимости от габаритов контейнера 3, геометрических размеров промежуточной емкости 5 и кристаллизатора 6 и содержания в губчатом титане 4 газов и хлоридов магния или натрия, устанавливают необходимую мощность нагрева поверхности 9 жидкого металла в промежуточной емкости 5 и кристаллизаторе 6, а также массовую скорость подачи на плавку расходуемого контейнера 3 таким образом, чтобы приведенная энергия плавки находилась в пределах 3-10 кВт. ч/кг.м² для промежуточной емкости 5 и 0,5-265 кВт.ч/кг.м² для кристаллизатора 6.

По мере сплавления расходуемого контейнера 3 в кристаллизаторе 6 формируют слиток 7 вплоть до завершения технологического процесса получения компактного слитка. Затем в слитке 7 выводят усадочную раковину по заданной программе обогрева электронным лучом 11 d пушки 1 d, охлаждают слиток в вакууме или в среде инертного газа, развакуумируют установку и производят выгрузку слитка.

Пример. Электронно-лучевой переплав губчатого титана осуществляли в электронно-лучевой установке с промежуточной емкостью в условиях опытно-промышленного производства.

В качестве источников нагрева в установке были использованы электронные пушки высоковольтного тлеющего разряда типа ВТР-200-300/25. В качестве исходных материалов были применены: для изготовления расходуемого контейнера - титановый лист толщиной 0,006 м из сплава ВТ1-0 (ГОСТ 19807-91); губчатый титан марки ТГ-110 (ГОСТ 17746-79). Губчатым титаном по мере возможности равномерно заполняли расходуемый контейнер, геометрические размеры которого составляли: ширина 0,8 м, высота 0,6 м, длина 2,0 м. Масса пустого контейнера в среднем составляла 130.135 кг, а масса заполненного контейнера 1080-1135 кг переплав расходуемых контейнеров в кристаллизатор диаметров 0,445 м осуществляли с использованием промежуточной емкости сечением 0,85х0,30 м² в соответствии с вышеизложенным описанием.

Экспериментальные данные (см. прилагаемую таблицу) по электронно-лучевому переплаву губчатого титана в пределах заявляемых технологических параметров и конструктивных особенностей установки подтверждают достижение поставленной цели и показывают, что при полном удовлетворении требованиям ГОСТ 19807-91 на сплав ВТ1-00 и А ТМ на сплав В 348-83 Grade 1 по содержанию основных примесей применение способа и установки в сравнении с существующим производством позволяет:
увеличить выход годного металла в слиток на 10-12%
снизить удельный расход электроэнергии в 4-6 раз;
увеличить производительность установки в 2-2,5 раза.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.

1. Ткачев Л.Г. Кононов И.А. Промышленные установки электронно-лучевого нагрева. Серия электротехнология. М. ВИНИТИ, 1080. С. 71. Рис. 24.

2. Информация N 003-18-561 о регулируемой микропроцессором печи ES2/30/300/CF/ для электронно-лучевой плавки сверхчистых тугоплавких химически активных металлов, в которой возможно осуществление плавки непрерывным потоком и новых технологических процессов. М. ВНТИЦ. 1988 С. 12 п.1.4.1.2.в.

3. Заявка Японии N 60-12158 от 13.06.85. МКИ C 22 B 9/22 (прототип).

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может найти применение при получении слитков и слябов технического титана коммерческой чистоты в электронно-лучевых установках с промежуточной емкостью и с использованием в качестве исходной шихты губчатого титана. Способ включает изготовление расходуемого титанового контейнера, заполнение его губчатым титаном, подачу заполненного расходуемого контейнера в зону действия электронных лучей, нагрев и оплавление его торца над промежуточной емкостью, рафинирование металла в промежуточной емкости при постоянной мощности нагрева, слив жидкого металла в кристаллизатор и формирование в нем слитка. Сущность: подачу расходуемого контейнера осуществляют с линейной скоростью перемещения, равной или меньшей линейной скорости распространения фронта температуры плавления, обеспечивающей дегазацию и испарение хлоридов магния или натрия, при поддержании величины приведенной энергии плавки на рафинирование металла в промежуточной емкости и на формирование слитка в кристаллизаторе в пределах 3-10 кВт.ч/кг.м² и 0,5-2,5 кВт.ч/кг.м² соответственно. Установка для осуществления способа содержит в качестве источников нагрева электронные пушки с отклоняющими системами, расходуемый контейнер, промежуточную емкость и кристаллизатор. Сущность: в качестве источников нагрева установлены газоразрядные электронные пушки, уровень рабочего давления которых выше давления в камере плавки, в частности, электронные пушки высоковольтного тлеющего разряда, причем отношение расстояния между отклоняющими системами пушек и промежуточной емкостью к ее площади не менее 3 м^-1. 2 с и 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ электронно-лучевого переплава губчатого титана, включающий изготовление расходуемого титанового контейнера, заполнение его губчатым титаном, подачу заполненного расходуемого контейнера в зону действия электронных лучей, нагрев и оплавление его торца над промежуточной емкостью, рафинирование металла в промежуточной емкости при постоянной мощности нагрева, слив жидкого металла в кристаллизатор и формирование в нем слитка, отличающийся тем, что подачу расходуемого контейнера осуществляют с линейной скоростью перемещения, равной или меньшей линейной скорости распространения фронта температуры плавления, обеспечивающей дегазацию и испарение хлоридов магния или натрия, при поддержании величины приведенной энергии плавки на рафинирование металла в промежуточной емкости и на формирование слитка в кристаллизаторе в пределах 3 10 кВт•ч/кг•м² и 0,5 2,5 кВт•ч/кг•м² соответственно. 2. Установка для электронно-лучевого переплава губчатого титана, содержащая в качестве источников нагрева электронные пушки с отклоняющими системами, расходуемый контейнер, промежуточную емкость и кристаллизатор, отличающаяся тем, что в качестве источников нагрева установлены газоразрядные электронные пушки, уровень рабочего давления которых выше давления в камере плавки. 3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве газоразрядных электронных пушек установлены электронные пушки высоковольтного тлеющего разряда, причем отношение расстояния между отклоняющими системами пушек и промежуточной емкостью к ее площади не менее 3 м^- 1.