СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ПЛАВКИ Российский патент 2009 года по МПК C22B9/20 F27D21/04 

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

Вакуумная дуговая плавка расходуемого электрода включает процесс управления кристаллизацией слитка. Управление осуществляется непосредственным изменением вводимой в расплав энергии, причем распределение этой энергии влияет на скорость плавления, на потоки в очаге расплава и, соответственно, на объем жидкой ванны. Одним из основных параметров, влияющих на распределение энергии, является межэлектродный промежуток (дуговой зазор) - расстояние между плоским торцом расходуемого электрода и жидкой ванной верхней части наплавляемого слитка, измерение которого непосредственно произвести невозможно. С увеличением межэлектродного промежутка энергия дуги, которая могла быть использована на плавление, будет рассеиваться за счет непосредственного излучения на стенку охлаждаемого медного кристаллизатора. Поэтому особо важным фактором является возможность регулирования величины межэлектродного промежутка для обеспечения эффективности вакуумной дуговой плавки расходуемого электрода.

Известен способ контроля и регулирования межэлектродного промежутка в процессе вакуумной дуговой плавки, включающий измерение напряжения на дуге с получением контролируемого сигнала напряжения, анализ его изменения и регулирование положения расходуемого электрода относительно выплавляемого слитка. Патент РФ №2227167, публ. 20.04.2004.

Недостатком данного способа являются возможные ошибки оценки межэлектродного промежутка из-за шумов, которые накладываются на сигналы коротких капельных замыканий и вызывают погрешности.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ вакуумного дугового переплава слитков титановых сплавов, в котором перед началом плавления расходуемого электрода устанавливают оптимальную величину межэлектродного промежутка и поддерживают ее путем одновременного измерения напряжения на дуге, давления в печи и корректировкой значений этих величин с учетом скорости перемещения сплавляемого электрода вниз (патент РФ №2164957, публ. 10.04.2001, бюл. №10).

Недостатком прототипа является то, что при ионизации в процессе вакуумной дуговой плавки титановых сплавов никаких воздействий на электрическую дугу, кроме как резкого увеличения скорости движения электрода (штока) вниз с целью уменьшения дугового зазора (межэлектродного промежутка), не осуществляют. Этого не достаточно при переплаве прессованных расходуемых электродов, особенно большого диаметра, содержащих легкокипящие легирующие компоненты (например, марганец) и губчатый титан с твердостью более 150 НВ, в котором много MgCl₂×6H₂0.

Два явления - ионизация в промежутке (зазоре) между электродом и изложницей и характер испарения и конденсации ряда низкокипящих примесей и легирующих добавок (Mg, MgCl₂, Mn и др.) - контролируют процесс горения дуги и плавления расходуемого прессованного электрода.

Если кратковременная (мгновенная) ионизация не доставляет неприятностей, то затяжная ионизация нежелательна по следующим причинам:

1) устойчивый тлеющий разряд, сопровождаемый повышением давления в печи, может перейти в дуговой разряд на стенку изложницы и привести к ее проплавлению; 2) частая длительная ионизация ухудшает условия работы автоматических регулирующих систем и, соответственно, стабильность плавки, 3) длительная и частая ионизация сопровождается утечкой тока с электрода через кольцевой зазор, уменьшает скорость плавления и производительность печи; 4) ухудшается проплав боковой поверхности слитка первого переплава и, как следствие, проплав слитка второго переплава.

Задачами, на решение которых направлено данное изобретение, является стабилизация процесса плавки прессованных электродов и марганецсодержащих титановых сплавов, улучшение работы автоматической системы управления плавкой на основе пропорционально-интегрального регулятора (ПИ-регулятора), повышение выхода годного за счет улучшения проплава боковой поверхности слитков марганецсодержащих титановых сплавов и вовлечение в переплав титановой губки твердых сортов с большим содержанием MgCl₂.

Решение поставленных задач достигается тем, что в способе контроля процесса вакуумной дуговой плавки, включающем одновременное измерение напряжения на дуге, давления в печи и корректировку значений этих величин с учетом скорости перемещения сплавляемого электрода вниз, согласно изобретению при повышении порогового значения остаточного давления в плавильной камере печи ионизацию устраняют путем воздействия на дугу магнитным полем соленоида напряженностью не менее H_min=0,65(I-I₀) кА/м, где I - ток дуги, кА; I₀≈2,0 кА - минимальный ток плавления. Воздействие на электрическую дугу осуществляют знакопеременным магнитным полем частотой 1-15 Гц продолжительностью 2-10 сек.

Использование знакопеременного магнитного поля с указанными параметрами обеспечивает подавление ионизации и исключает раскачивание ванны жидкого металла при резком форсировании магнитного поля. При частоте менее 1 Гц возможно появление раскачивания жидкой ванны (а при больших токах и электрода). С повышением частоты более 15 Гц возможно провоцирование возникновения режима устойчивой ионизации.

Магнитное поле с заданной напряженностью приводит к созданию дополнительного избыточного давления в столбе дуги. При переключении полярности, в момент уменьшения напряженности, избыточное газодинамическое давление не компенсируется магнитным полем, происходит выброс плазмы в зазор между электродом и изложницей и возникает ионизация. Поэтому частота переключения тока соленоида должна обеспечивать выравнивание избыточного газодинамического давления.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлены диаграммы подавления ионизации магнитным полем в процессе вакуумной дуговой плавки по остаточному давлению в печи (вакуум) во время плавления прессованного расходуемого электрода по падению напряжения на дуге во время плавки; токовый режим плавления прессованного электрода; изменение тока соленоида во время плавки.

На диаграмме изменения тока соленоида показано воздействие на электрическую дугу знакопеременным магнитным полем с различной частотой и, как результат воздействия, уменьшение амплитуды колебания остаточного давления в камере печи - «а» и уменьшение амплитуды колебания падения напряжения на электрической дуге - «b».

Таким образом, увеличение знакопеременного магнитного поля соленоида приводит к устранению ионизации в печи и улучшению работы автоматической системы управления плавкой.

Пример осуществления способа.

Выплавляли слиток титанового сплава ОТ4 массой 2740 кг диаметром 670 мм в вакуумной дуговой электропечи ДВС-5М. Прессованный электрод сплава ОТ4 диаметром 495 мм помещали на поддон кристаллизатора диаметром 670 мм. После вакуумирования возбуждали электрическую дугу между медным поддоном кристаллизатора и нижним торцом электрода, устанавливали дуговой зазор 35 мм. Производили прогрев нижнего торца электрода на силе тока дуги 5 кА в течение 10 минут. Затем плавно в течение 15 минут ток дуги поднимали до рабочей величины 22 кА и плавили в течение 150 минут со скоростью перемещения штока 4 мм/мин.

Во время плавки из-за нарушения квазистационарного режима горения электрической дуги при ионизации по сигналу от датчика давления в печи (вакуумметра) на дугу воздействовали магнитным полем соленоида: сила тока соленоида - 50 А; магнитное поле знакопеременное напряженностью 17 кА/м; время воздействия от 2 до 7 сек; частота 10 Гц. Ионизация была устранена и восстановлен нормальный режим работы ПИ-регулятора, который определяет межэлектродный промежуток и скорость подачи штока (электрода) вниз.

Предлагаемый способ контроля процесса вакуумной дуговой плавки, по сравнению с известными, улучшает работу автоматической системы управления печи на основе ПИ-регулятора за счет подавления ионизации; стабилизируется процесс плавки прессованных электродов и марганецсодержащих титановых сплавов; обеспечивается возможность определения более точного межэлектродного промежутка за счет исключения влияния ионизации на процесс определения промежутка по падению напряжения; повышается выход годного за счет улучшения проплава боковой поверхности слитков марганецсодержащих титановых сплавов, а также увеличивается возможность вовлечения в переплав титановой губки твердых сортов с большим содержанием MgCl₂. Кроме того, повышается взрывобезопасность процесса плавления за счет исключения горения дуги на стенку кристаллизатора во время ионизации.

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков титановых сплавов из прессованных расходуемых электродов. В способе контроля при повышении порогового значения остаточного давления в плавильной камере печи ионизацию устраняют путем воздействия на электрическую дугу магнитным полем соленоида напряженностью не менее H_min=0,65(I-I₀) кА/м, где I - ток дуги, кА, I₀≈2,О кА - минимальный ток плавления. Кроме того, воздействие на электрическую дугу осуществляют знакопеременным магнитным полем частотой 1-15 Гц продолжительностью 2-10 с. Изобретение позволяет стабилизировать процесс плавления прессованных электродов и марганецсодержащих титановых сплавов, улучшить работу автоматической системы управления плавкой на основе пропорционально-интегрального регулятора (ПИ-регулятора), повысить выход годного за счет улучшения проплава боковой поверхности слитков марганецсодержащих титановых сплавов и увеличить вовлечение в переплав титановой губки твердых сортов с большим содержанием MgCl₂. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля процесса вакуумной дуговой плавки, включающий одновременное измерение напряжения на дуге, давления в печи и корректировку значений этих величин с учетом скорости перемещения сплавляемого электрода вниз и явления ионизации, отличающийся тем, что при повышении порогового значения остаточного давления в плавильной камере печи ионизацию устраняют путем воздействия на электрическую дугу магнитным полем соленоида напряженностью не менее Н_min=0,65(I-I₀) кА/м, где I - ток дуги, кА, I₀≈2,0 кА - минимальный ток плавления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие на электрическую дугу осуществляют знакопеременным магнитным полем частотой 1-15 Гц продолжительностью 2-10 с.