СПОСОБ УСТАНОВКИ И ПРИВАРКИ РАСХОДУЕМОГО ЭЛЕКТРОДА ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ПЕЧИ Российский патент 2007 года по МПК C22B9/21 

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

Данная технология реализуется в вакуумных дуговых печах (ВДП) с расходуемым электродом, который устанавливают в водоохлаждаемую изложницу и приваривают к огарку. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления. При подаче напряжения между расходуемым электродом-катодом и поддоном-анодом возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет торец электрода; капли жидкого металла, проходя зону дугового разряда, дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток. Дуга горит между расходуемым электродом и жидким металлом в верхней части слитка на протяжении всей плавки.

Поскольку ВДП представляют собой взрывоопасные агрегаты, для нормальной работы необходимо строго соблюдать разработанные на предприятиях правила техники безопасности на всех стадиях технологического процесса, в том числе при установке электрода и его приварке к огарку (В.А.Громата. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1968 г, стр.482-484). Основная опасность при дуговой вакуумной плавке - прожигание стенки кристаллизатора электрической дугой. Это приводит к проникновению воды в печное пространство и ее взаимодействию с жидким или раскаленным металлом с созданием взрывоопасной ситуации. В частности, данная взрывоопасная ситуация может возникнуть при смещении оси расходуемого электрода относительно оси кристаллизатора. Известно, что оптимальная величина межэлектродного промежутка составляет порядка 10-50 мм. В то же время зазор между поверхностью электрода и внутренней стенкой изложницы составляет порядка 40-60 мм (в зависимости от диаметра выплавляемого слитка). Смещение оси электрода и изложницы кристаллизатора относительно друг друга более чем на 5-10 мм может привести к перекидыванию дуги на стенку изложницы.

Приварка расходуемого электрода к огарку должна обеспечивать достаточную прочность и электрический контакт по всей поверхности. При недостаточной площади контакта возможен местный перегрев и разрушение соединения расходуемого электрода и огарка и как следствие этого возникновение аварийной ситуации.

Известен способ установки и загрузки электродов (Аношкин Н.Ф. Плавка и литье титановых сплавов, М.: Металлургия, 1978 г., стр.272), включающий:

- загрузку расходуемого электрода в литейный комплект (кристаллизатор с поддоном),

- центровку электродов в проточке на поддоне и клиньями у фланца изложницы,

- приварку расходуемого электрода к огарку,

- контроль центровки и приварки с использованием линеек, шаблонов и т.п.

Диаметры электродов первого переплава варьируются от 270 до 750 мм и второго - от 390 до 920 мм при длине до 5500 мм. Допустимое смещение оси от 5 мм до 10 мм, в зависимости от диаметра электрода. Пятно привариваемого контакта водоохлаждаемого штока и кристаллизатора должно составлять не менее 50% от площади контактируемых поверхностей.

Известен способ измерения зазора до металлической поверхности, заключающийся в том, что параллельно контролируемой поверхности размещают отрезок замедляющей системы, в котором возбуждают замедленную электромагнитную волну со смещением энергии магнитного поля в область контролируемого зазора на частоте, на которой глубина проникновения поля в металл существенно меньше толщины металла с контролируемой поверхностью, и измеряют запаздывание фазы этой волны (Патент Р.Ф. №2115886, публ. 1998.07.20., МПК G 01 B 15/00) - прототип.

Недостатками известного способа являются сложность системы и трудности при контроле крупногабаритных изделий, имеющих труднодоступные места.

Задача изобретения - создание бесконтактного способа измерения зазора между электродом и внутренней поверхностью изложницы вакуумной дуговой печи, а также контроля качества приварки расходуемого электрода к огарку.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является снижение трудоемкости контрольных операций при загрузке печи, повышение их точности и объективности, а следовательно, повышение взрывобезопасности и производительности процесса переплава слитков металлов в ВДП.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе установки расходуемого электрода вакуумной дуговой печи, включающем загрузку расходуемого электрода в кристаллизатор, центрирование электрода по оси кристаллизатора с последующей приваркой его к огарку и контроль данных операций, контроль центрирования и приварки расходуемого электрода осуществляется путем измерения напряженности магнитного поля тока короткого замыкания в системе электрод-кристаллизатор и сравнения результатов измерения с пороговым значением напряженности, определенным при максимально допустимой величине смещения оси электрода.

Пара электрод и кристаллизатор при пропускании через нее тока короткого замыкания представляет собой замкнутую систему, состоящую из двух концентрических проводников (коаксиальная пара).

Применение тока короткого замыкания обусловлено следующими причинами. При работе печи в режиме плавления за кристаллизатором возникает магнитное поле, которое может быть измерено. Однако в этом случае асимметрия магнитного поля, создаваемая рабочим током, вызвана совокупностью нескольких причин, а именно: движением дугового разряда, растеканием тока в приэлектродных областях дуги и в зоне контакта электрод-поддон. Поэтому выделить сигнал, связанный со смещением электрода, невозможно.

В противоположность этому при пропускании по смещенному электроду тока короткого замыкания (т.е. до его плавления) асимметрия магнитного поля связана только с направлением и величиной смещения электрода.

При расположении электрода соосно кристаллизатору магнитное поле за кристаллизатором отсутствует, так как токи по кристаллизатору и электроду протекают в противоположных направлениях и равны по величине. При смещении оси электрода от оси кристаллизатора за наружным контуром кристаллизатора создается асимметричное магнитное поле, напряженность которого пропорциональна величине этого смещения. Если измеренная величина напряженности магнитного поля меньше ее порогового значения, то смещение электрода лежит в пределах допустимого значения и принимается решение на приварку электрода к огарку, в противном случае производятся необходимые корректировки установки электрода с учетом полученного замера.

Приварка электрода к огарку производится возбуждением дуги между ними, созданием ванны жидкого металла и прижиманием механизмом электрододержателя огарка к электроду. Пятно приварки электрода должно быть не меньше половины площади контакта поверхностей огарка и электрода. Гистограмма напряженности магнитного поля в данном сечение пропорциональна площади пятна приварки. При его сравнении с эталоном можно контролировать качество данной операции.

Целесообразно контроль центровки электрода осуществлять замером изменения напряженности магнитного поля в двух плоскостях, расположенных перпендикулярно к оси кристаллизатора и отстоящих друг от друга на расстоянии не менее половины длины электрода, причем нижняя зона располагается выше нижнего торца электрода на расстоянии, равном или большем величины диаметра электрода.

При использовании тока короткого замыкания единственным мешающим фактором является растекание тока в зоне контакта электрод - поддон. Моделирование процесса растекания тока в такой системе и экспериментальная проверка на печах типа ДТВ 8,7-Г10 показали, что искажения магнитного поля, связанные с неравномерным растеканием тока в зоне контакта, перестают сказываться на высоте от места контакта, равной наружному диаметру электрода. Выше этого сечения измеряемая напряженность магнитного поля тока короткого замыкания зависит от положения электрода и может быть воспроизведена многократно. Поэтому измерение напряженности магнитного тока короткого замыкания можно производить на любом уровне от поддона, но не меньше расстояния, равного диаметру электрода. Измерение напряженности магнитного поля в двух плоскостях позволяет получить объемную картину несовпадения осей электрода и кристаллизатора, то есть определить как смещение электрода, так и перекос (наклон), а расстояние более половины длины электрода между зонами, в которых производят измерения, гарантирует достаточную точность контрольных замеров при допустимых погрешностях.

Выгодно качество приварки контролировать замером изменения напряженности магнитного поля до и после приварки электрода к огарку.

Контактируемые поверхности электрода и огарка предварительно механически обрабатываются с заданной шероховатостью и плоскостью, обеспечивающей надежный электрический контакт по всей поверхности стыковки. При больших силах тока короткого замыкания, порядка 10 кА и выше, напряженность магнитного поля в плоскости контакта близка к равномерной, что подтверждалось многократными измерениями и построениями гистограммой, форма которой близка к круговой. После приварки электрода ток протекает по сваренному участку, форма и размеры которого проецируются на гистограмме. Это позволяет с достаточной точностью определить форму и площадь привариваемого участка.

Таким образом, измерив напряженность магнитного поля, создаваемого током короткого замыкания в системе электрод-кристаллизатор, и сравнив результат измерения с пороговым значением напряженности, производят при необходимости центровку электрода до его приварки к огарку, приваривают электрод и производят контроль операции приварки.

Оценка искажения установки электрода и качество приварки его к огарку производится сравнением полученных сигналов с эталонными векторными функциями, полученными с учетом поля фона и с использованием зависимостей, введенных в память ЭВМ, или расчетными известными способами.

Пример конкретного выполнения.

На печи ДТВ 8,7-Г10 производили переплав расходуемого электрода диаметром 0,7 м в кристаллизаторе диаметром 0,87 м длиной 4,65 м. Электрод зацентрировали в верхней части кристаллизатора, нижнюю часть электрода установили со смещением ΔХ≈0,05 м, т.е. создали перекос электрода.

Затем через электрод пропускали ток короткого замыкания силой Iк.з.=15 кА. Измерение напряженности магнитного поля производили с помощью феррозондового магнитометра в точках, расположенных диаметрально по окружности на расстоянии от оси кристаллизатора r=0,5 м на высоте h=0,7 м от поддона.

Пороговое значение напряженности магнитного поля при максимально допустимом смещении ΔХ=0,025 м определили из соотношения:

Нпор - пороговое значение напряженности магнитного поля, А/м;

Iк.з - сила тока короткого замыкания, А;

ΔXmax - максимальная допустимая величина смещения оси электрода, м;

r - расстояние от оси кристаллизатора до точки замера напряженности магнитного поля.

При измерении напряженности магнитного поля было получено максимальное значение Н=497 А/м, превышающее пороговое.

Электрод был дополнительно отцентрирован в нижней части. Повторный замер напряженности магнитного поля показал значение Н=95 А/м, что соответствует смещению ΔX≈0,01 м, т.е. электрод отцентрирован в допустимых пределах. Затем были проведены замеры на высоте 3,2 м от поддона. Максимальная напряженность магнитного поля в данном сечении составила 67 А/м, что соответствует смещению ΔX≈0,01 м. Замеры показали, что электрод был центрирован с допустимой точностью.

Далее производили приварку электрода к огарку. Сравнение гистограмм напряженности магнитного поля с хранящимися в памяти ЭВМ эталонными векторными функциями до приварки электрода к огарку и после приварки не выявило аномальных отклонений, что позволило сделать заключение о соответствии зоны приварки установленным требованиям.

Данный способ позволяет:

- повысить взрывобезопасность процесса плавления расходуемого электрода;

- снизить затраты времени на проведение контрольных операций;

- улучшить качество обрабатываемой поверхности и как следствие этого уменьшить потери металла при последующей механической обработке слитка.

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к способам вакуумной дуговой плавки высокореакционных металлов, в частности титана и его сплавов. Контроль центрирования и приварки расходуемого электрода осуществляют путем измерения напряженности магнитного поля тока короткого замыкания в системе электрод-кристаллизатор и сравнения результатов измерения с пороговым значением напряженности, определенным при максимально допустимой величине смещения оси электрода. Контроль центровки электрода осуществляют замером изменения напряженности магнитного поля в двух зонах, расположенных по оси кристаллизатора и отстоящих друг от друга на расстоянии не менее половины длины электрода, причем нижняя зона располагается выше нижнего торца электрода на расстоянии, равном или большем величины диаметра электрода. Изобретение позволяет снизить трудоемкость контрольных операций при загрузке печи, повысить их точность и взрывобезопасность в процессе переплава слитков металлов. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ установки и приварки расходуемого электрода вакуумной дуговой печи, включающий загрузку расходуемого электрода в кристаллизатор, центрирование электрода по оси кристаллизатора с последующей приваркой его к огарку и контроль данных операций, отличающийся тем, что контроль центрирования и приварки расходуемого электрода осуществляют путем измерения напряженности магнитного поля тока короткого замыкания в системе электрод - кристаллизатор и сравнения результатов измерения с пороговым значением напряженности, определенным при максимально допустимой величине смещения оси электрода.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контроль центровки электрода осуществляют замером изменения напряженности магнитного поля в двух зонах, расположенных по оси кристаллизатора и отстоящих друг от друга на расстоянии не менее половины длины электрода, причем нижняя зона располагается выше нижнего торца электрода на расстоянии, равном или большем величины диаметра электрода.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что качество приварки контролируют замером изменения напряженности магнитного поля до и после приварки электрода к огарку.