СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ПЕЧИ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ СЛИТКОВ РЕАКЦИОННЫХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2008 года по МПК C22B9/20 

Изобретение относится к металлургии, а именно к нагреву металлов дуговым разрядом, и может быть использовано при вакуумной дуговой плавке высокореакционных металлов и сплавов, например титана.

В настоящее время одним из основных способов промышленного производства высокореакционных металлов и сплавов является вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода.

Все основные процессы плавки: плавление металла воздействием на него дугового разряда, дегазация металла, формирование слитка производятся в водоохлаждаемом кристаллизаторе состыкованным с вакуумной камерой.

Общим событием, предшествующим и необходимым для создания аварийной ситуации, является повреждение стенки, отделяющей рабочее пространство от полости водяного охлаждения поддона кристаллизатора, вакуумной камеры, штока. Повреждения происходят чаще всего в результате горения дугового разряда между расходуемым электродом и вышеуказанными элементами конструкции печи. Попадание воды на расплавленный металл, имеющий температуру более 1700°С, сопровождается интенсивным парообразованием. Параллельно вода вступает в химическую реакцию с титаном с образованием свободного водорода. Не исключены также электролиз и термическая диссоциация воды с образованием водорода и кислорода.

Образовавшаяся парогазовая смесь заполняет рабочее пространство до момента открытия клапана, а если он не справляется, то и после. В последнем случае внутреннее давление может превысить прочность герметических соединений элементов печи, что приведет к разрушению наиболее слабого места и выходу смеси за пределы печи, то есть в защитный кожух.

Смешивание водорода с кислородом воздуха может произойти в результате выхода водорода в защитный кожух, втекания воздуха в рабочее пространство через открывшиеся проемы и отверстия, того и другого вместе.

Источник воспламенения - расплавленный металл - всегда имеется внутри печи, а при обрыве кристаллизатора и поддона - и снаружи. Кроме того, искры от удара клапана или металлических частей при их разрушении могут воспламенить водород, выходящий из печи и распространяющийся по объему защитного кожуха с огромной скоростью.

Таким образом, следует предполагать возможными следующие варианты развития процесса химического взрыва:

1. Выход водорода в защитный кожух, смешивание его здесь с воздухом и воспламенение от искры.

2. Втекание атмосферного воздуха в печь после разгерметизации печи и воспламенение от нагретого титана внутри печи.

3. Выход водорода в защитный кожух с одновременным втеканием воздуха в печь, в результате чего взрывоопасная смесь образуется как внутри, так и вне печи, и взрыв, начавшись внутри, легко распространяется в кожух.

Нельзя исключить также возможность чисто физического взрыва печи паром высокого давления, образующимся с большой скоростью в ограниченном пространстве. Такой взрыв может произойти, например, при попадании воды из поддона непосредственно в расплавленный металл снизу.

В настоящее время наибольшее распространение получили системы взрывобезопасности, которые предупреждают о потенциальном возникновении аварийной ситуации и предотвращают возникновение взрывоопасной ситуации.

Известен способ повышения взрывобезопасности выплавки слитков реакционных металлов в ВДП, при котором в случае попадания воды в печь:

1. Отключается питание печи.

2. Уменьшается количество подаваемой охлаждающей воды.

3. Печь отключается от вакуумных насосов.

4. Срабатывают герметические возвратные клапаны.

Плавка и литье титановых сплавов, отв. редактор В.И.Добаткин, М.: Металлургия, 1978 г., с.68 - прототип.

Недостатком известного способа является то, что не исключается образование водородовоздушной смеси и ее детонационное горение как внутри печи, так и в защитном кожухе.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является способ повышения взрывобезопасности плавления реакционных металлов как последняя возможность в цепи мер безопасности, когда известные существующие меры безопасности допустили аварийную ситуацию, при которой во внутренний объем изложницы попадает вода из системы охлаждения изложницы.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является нейтрализация взрывоопасной смеси, образовавшейся в результате контакта воды из системы охлаждения изложницы и выплавляемого реакционного металла.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе обеспечения взрывобезопасности при эксплуатации ВДП для выплавки слитков реакционных металлов, включающем отключение питания печи при попадании воды в вакуумную камеру, уменьшение количества подаваемой охлаждающей воды, отключение от вакуумных насосов, срабатывание герметических возвратных клапанов, одновременно с отключением печи дополнительно в вакуумную камеру подается сжиженный углекислый газ, который создает избыточное атмосферное давление на период, равный времени охлаждения слитка.

Данный способ реализуется следующим образом.

При поступлении воды в рабочую зону печи подается команда на снятие напряжения на электроде и одновременно включается система регулируемой подачи сжиженного углекислого газа в вакуумную камеру печи. Поступая в вакуумную камеру, эта жидкость при быстром расширении интенсивно возгоняется с понижением температуры до минус 78,5°С. Понижение температуры приводит к конденсации водяного пара, а значит, снижению давления в камере печи и захолаживанию слитка. В камере печи образуется смесь Н₂ и СО₂, которая не подвержена взрыву. При этом углекислый газ обладает свойством не гореть и не поддерживать горения. После достижения в камере давления, при котором срабатывает защита, открывается клапан, образовавшийся водород и CO₂ вытесняются из рабочего объема печи. На протяжении всего времени остывания слитка в вакуумной камере поддерживается избыточная атмосфера углекислого газа.

Предлагаемый способ обеспечивает взрывобезопасность эксплуатации вакуумных дуговых печей при выплавке реакционных металлов.

Изобретение относится к металлургии, а именно к нагреву металлов дуговым разрядом, и может быть использовано при вакуумной дуговой плавке высокореакционных металлов и сплавов, например, титана. В способе при попадании воды в вакуумную камеру отключают питание печи, уменьшают количество подаваемой охлаждающей воды, отключают от вакуумных насосов, срабатывают герметические возвратные клапаны. Одновременно с отключением печи дополнительно в вакуумную камеру подают сжиженный углекислый газ, который создает избыточное атмосферное давление на период, равный времени охлаждения слитка. Изобретение позволяет нейтрализовать взрывоопасную смесь, которая образуется в результате контакта воды из системы охлаждения изложницы и выплавляемого реакционного металла.

Способ обеспечения взрывобезопасности при эксплуатации вакуумной дуговой печи для выплавки слитков реакционных металлов, включающий отключение питания печи при попадании воды в вакуумную камеру, уменьшение количества подаваемой охлаждающей воды, отключение от вакуумных насосов, срабатывание герметических возвратных клапанов, отличающийся тем, что одновременно с отключением питания печи дополнительно в вакуумную камеру подают сжиженный углекислый газ для создания избыточного атмосферного давления на период, равный времени охлаждения слитка.