Способ управления электрической дугой при вакуумном дуговом переплаве расходуемого электрода из высокореакционных металлов и сплавов в глухом кристаллизаторе Российский патент 2021 года по МПК C22B9/20 F27D19/00 

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 танталовых, вольфрамовых, циркониевых и титановых сплавов.

В настоящее время основным способом промышленного производства высокореакционных металлов и сплавов является выплавка расходуемого электрода в вакуумной дуговой печи. Несмотря на то, что вакуумные дуговые печи (ВДП) используются давно в промышленном масштабе, постоянно ведется поиск оптимальных соотношений технологических параметров и режимов плавления ВДП, продолжаются попытки исследования параметров вакуумной электрической дуги, совершенствуются способы контроля режимов работы, что существенно влияет на воспроизводимость процесса и качество металла.

При производстве слитков из танталовых сплавов наряду с общими закономерностями, присущими процессам получения слитков методом вакуумного дугового переплава, имеются свои характерные черты, которые накладывают особенности на процесс производства слитков.

В настоящее время плавку высокореакционных металлов производят в ВДП оборудованных соленоидом постоянного тока для создания магнитной индукции для управления электрической дугой и движением расплава (жидкого металла) в наплавляемом слитке. Для создания магнитного поля используют катушку, внутри которой расположен кристаллизатор с расходуемым электродом. В процессе плавления металла производится подача постоянного тока для создания магнитного поля. Подключение катушки к источнику постоянного тока может быть положительной и отрицательной полярности. В данном случае при переключении полярности производится воздействие на столб электрической дуги и направление движение расплава в жидкой ванне металла. Этот процесс стабилизирует нахождение дуги и центрирует ее положение под расходуемым электродом, что приводит к локализации нагрева в центре и отсутствии прогрева металла по краям расходуемого электрода и ванны жидкого металла. Это приводит к образованию короны и ухудшению проплава боковой поверхности слитка. Для улучшения проплава боковой поверхности слитка (ванны жидкого металла) на дугу воздействуют радиальным (поперечным) магнитным полем посредством установленных соленоидов вокруг кристаллизатора. Это приводит к смещению дуги из центра по периферии торца электрода и ванна жидкого металла получает однородный прогрев по всему периметру. Во время плавки необходимо исключить переход дуги на стенку кристаллизатора и его прожога, что приведет к аварийной ситуации и браку металла. Для совершенствования процесса плавления необходима разработка конструкции магнитной системы и оптических датчиков, при которых управление электрической дугой будет взрывобезопасно на всем протяжении плавления.

Известен способ управления электрической дугой при вакуумном дуговом переплаве слитков из высокореакционных металлов и сплавов в кристаллизаторе, включающий воздействие на электрическую дугу знакопеременными магнитными полями различной ориентации, при этом на электрическую дугу циклически воздействуют аксиальным магнитным полем и одновременно воздействуют радиальным вращающимся магнитным полем со сменой направления вращения поля (Патент РФ №2536561, МПК С22 В 9/20,опубл. 27.12.2014). В известном способе используется устройство для создания радиального вращающегося магнитного поля в виде подключенных к управляющему источнику питания параллельных электромагнитных катушек, расположенных на наружной поверхности кристаллизатора. Недостатками известного устройства являются отсутствие защиты кабелей электромагнитных катушек, приводящее к возможному их повреждению в процессе сборки конструкции и эксплуатации, а также высокая трудоемкость монтажа при обслуживании и ремонтах оборудования. Кроме того, известное устройство не обеспечивает точность установки катушек на поверхности кристаллизатора, что снижает возможности управления перемещением дуги в процессе плавки.

Также известен способ управления электрической дугой с установкой бандажа в виде цилиндрического корпуса на кристаллизатор с профильными каналами для укладки электромагнитных катушек и возможности их фиксации в бандаже посредством защелкивающихся скоб (Патент РФ №182843, МПК С22В 9/21, опубл. 04.09.2018). Бандаж выполнен разборным и состоит из модульных кольцевых секторов и сегментных вставок, скрепленных между собой резьбовыми соединениями. Профилированные каналы являются ребрами жесткости бандажа. Данная модель не обеспечивает точность воздействия магнитным полем по радиусу на электрическую дугу, так как включение катушек и создание магнитного поля производится кластерно и дискретно по отношению к периметру ванны жидкого металла и высоте межэлектродного промежутка.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение является повышение качества поверхности выплавляемых слитков с высокой воспроизводимостью процесса.

Основным результатом, достигаемым при реализации данного изобретения является создание постоянного во времени управляемого перемещения электрической дуги по поверхности ванны жидкого металла на всем протяжении процесса плавления.

Согласно изобретению на электрическую дугу в процессе плавления воздействуют знакопеременным аксиальным магнитным полем с напряженностью ±1,5÷20,3×10³ А/м с периодом воздействия 3 минуты и паузой 5 секунд, а также радиальным магнитным полем напряженностью 0,5 ÷ 5,0 × 10³ А/м с линейной скоростью движения 0,1-5,0 м/мин. Воздействие радиальным магнитным полем осуществляется по всей высоте наплавляемого слитка и по всему периметру ванны жидкого металла посредством двух противоположно установленных друг к другу катушек на вращающее подъемно-поворотное устройство. Радиальное магнитное поле от двух соленоидов может быть однонаправленным или разнонаправленным, т.е. магнитное поле от катушек может создавать разнонаправленный магнитный поток. Вращающее контактное устройство состоит из двух катушек, расположенных на поворотном портале, который в свою очередь оснащен перемещаемым по высоте приводом. Катушки подключены к управляемым источникам питания постоянного тока, расположенных в электропомещении.

При воздействии аксиальным магнитным полем на электрическую дугу происходит фокусирование плазмы дуги в центре межэлектродного промежутка, при этом тепловой поток воздействует на ванну жидкого металла по центру. При увеличении магнитного потока возникает круговое движение ванны жидкого металла и разбрызгивание по все периферии контактного пояса с кристаллизатором. Это может привести к образованию короны и взрывоопасной ситуации. Для минимизации аварийной ситуации аксиальное магнитное поле снимают посредством отключения тока от соленоида на короткий промежуток времени 2-10 секунд. Это стабилизирует процесс, и затем создают магнитное поле в противоположном по току направлению.

При создании однонаправленного радиального магнитного потока ±0,5 ÷ 5,0×10³ А/м в области горения электрической дуги происходит ее смещение от центра расходуемого электрода и ванны жидкого металла к кольцевому зазору. Дуга начинает движение по расплаву металла между центром ванны и кольцевым зазором с постоянной линейной скоростью на равном удалении или раскручиваясь по спирали. Для недопущения перехода дуги на стенку кристаллизатора при ее круговом движении происходит постоянный контроль появления в парах газа различных химических элементов - меди, хлора и т.д., при превышении заданной относительной концентрации которых более чем на 20% происходит изменение тока в катушках. Либо производится смена полярности катушек и изменение направления магнитного потока, при этом дуга начинает двигаться в обратном направлении от края электрода к центру с одинаковой линейной скоростью движения. Линейная скорость движения составляет 0,1±5,0 м/мин. Либо производится уменьшение тока в катушках с заданием противоположной полярности у катушки, которая находится на максимальном удалении от столба дуги.

При создании разнонаправленного радиального магнитного потока происходит увеличение ширины столба дуги относительно ее локального центра. При создании разнонаправленного магнитного потока с разными напряженностями полей происходит смещение дуги относительно ее центра и ее растяжение по площади. Данный режим воздействия на дугу используется для выведения усадочной раковины и носит цикличный характер с паузой 3-20 секунд и периодом переключения полярности 1-10 секунд.

Количество оборотов вращения в минуту для опорно-поворотного устройства подбирается экспериментально для каждого плавильного агрегата в отдельности и определяется диаметром кристаллизатора и его высотой.

Равномерное дозирование тепловой энергии анодного пятна дуги на ванне жидкого металла проводит к равномерному проплаву всей периферии наплавляемого слитка.

Промышленная применимость изобретения подтверждается примером на производственной площадке.

На вакуумной дуговой печи ДДВ-2 производили выплавку слитка из танталового сплава диаметром 228 мм и массой 406 кг. Литой электрод диаметром 166 мм помещали на затравку и зажигали электрическую дугу. Далее прогревали нижний торец электрода в течение 5 минут, линейно увеличивая ток с 5 кА до 18 кА. Рабочий режим плавления на токе 18 кА составлял 21 минуту. Во время плавления на электрическую дугу воздействовали аксиальным магнитным полем напряженностью ±1,5 ÷ 20,3 × 10³ А/м с периодом 3 минуты и паузой 5 секунд. Для смещения столба дуги к краю ванны жидкого металла воздействовали на дугу постоянным вращающимся радиальным магнитным полем напряженностью ±0,5 ÷ 5,0 × 10³А/м с линейной скоростью 0.1 - 5 м/минуту. Режим выведения усадочной раковины проводили в течении 6 минут, при этом воздействовали на дугу аксиальным магнитным полем с частотой 2 Гц и напряженностью 18 × 10³ А/м без пауз, и разнонаправленным радиальным магнитным полем от двух катушек ±5,0 × 10³ А/м со скоростью 5 м/мин.

Выплавленный слиток соответствовал технологическим требованиям и нормам, поверхность слитка требовала 3-5% поверхностной обработки.

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к выплавке слитков высокореакционных металлов и их сплавов вакуумно-дуговым переплавом, преимущественно из танталовых и ниобиевых сплавов. Осуществляют воздействие на электрическую дугу в процессе переплава расходуемого электрода и выведения усадочной раковины магнитными полями различной ориентации, при этом периодично воздействуют аксиальным магнитным полем с напряженностью ±1,5 ÷ 20,3 х 10³ А/м, периодом воздействия 3 минуты и паузой 5 секунд, и одновременно осуществляют воздействие радиальным непрерывно вращающимся магнитным полем с напряженностью ±0,5 ÷ 5,0 х 10³ А/м с линейной скоростью движения 0,1-5,0 м/мин и сменой направления вращения после каждого цикла вращения. Изобретение позволяет создать управляемое перемещение электрической дуги по поверхности ванны жидкого металла без возможности прожога стенки кристаллизатора. 5 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ управления электрической дугой при вакуумном дуговом переплаве расходуемого электрода из высокореакционных металлов и сплавов в глухом кристаллизаторе, включающий воздействие на электрическую дугу в процессе переплава и выведения усадочной раковины магнитными полями различной ориентации, отличающейся тем, что на электрическую дугу периодично воздействуют аксиальным магнитным полем с напряженностью ±1,5 ÷ 20,3 х 10³ А/м, периодом воздействия 3 минуты и паузой 5 секунд, и одновременно осуществляют воздействие радиальным непрерывно вращающимся магнитным полем с напряженностью ±0,5 ÷ 5,0 х 10³ А/м с линейной скоростью движения 0,1-5,0 м/мин и сменой направления вращения после каждого цикла вращения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что радиальное вращающееся магнитное поле формируют посредством двух противоположных катушек, установленных на подъемно-поворотной платформе и подключенных к независимым источникам питания постоянного тока, расположенных на наружной поверхности кристаллизатора, при этом осуществляют воздействие упомянутым магнитным полем по всей высоте наплавляемого слитка и по всему периметру ванны жидкого металла.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие на электрическую дугу и ванну жидкого металла осуществляют постоянным знакопеременным аксиальным магнитным полем от двух противоположных соленоидов частотой 0,1-5,0 Гц периодом воздействия 10-50 секунд.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что межэлектродный промежуток между плоским торцом расходуемого электрода и ванной жидкого металла поддерживают в пределах 30-40 мм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для предотвращения перехода электрической дуги на стенку кристаллизатора в период воздействия на нее радиальным магнитным полем осуществляют постоянный контроль эмиссии возбужденных в парах газа ионов меди, хлора, водорода, азота с помощью оптических спектральных детекторов, установленных в верхней части упомянутого кристаллизатора.

6.Способ по п.2 или 5, отличающийся тем, что при превышении заданной относительной концентрации упомянутых химических элементов более чем на 20% изменяют силу тока в катушках радиального магнитного поля по сигналу, поступающему с оптических спектральных детекторов.