NO127648B

NO127648B -

Info

Publication number: NO127648B
Application number: NO01671/71*[A
Authority: NO
Inventors: B Spydevold
Original assignee: W Jordan As
Priority date: 1971-05-04
Filing date: 1971-05-04
Publication date: 1973-07-30
Also published as: US3727260A

Description

Fremgangsmåte og ovn til stopning av metaller. Method and furnace for stuffing metals.

Oppfinnelsen angår støpeovner, og mer spesielt elektriske bueovner for produksjon av støpeblokker av meget reaktive metaller, som f. eks. titan, og oppfinnelsen vil heretter bli beskrevet under henvisning til dette metall. The invention concerns casting furnaces, and more particularly electric arc furnaces for the production of ingots of highly reactive metals, such as e.g. titanium, and the invention will hereafter be described with reference to this metal.

I en av de fremgangsmåter som nå er In one of the procedures that are now

i alminnelig bruk for prouksjon av støpe-blokker av titan, drives en elektrisk bue-ovn ved hjelp av en konsumbar elektrode som er komprimert eller på annen måte in common use for the production of ingots of titanium, an electric arc furnace is operated by means of a consumable electrode which is compressed or otherwise

fremstilt fra metallet i svamp- eller pulver-form, slik som det erholdes fra dets for-bindelser, idet den elektriske lysbue tennes mellom den konsumbare elektrode og en vannkjølt kobberherd. Det er også vanlig praksis å fremstille den endelige støpeblokk ved dobbeltsmeltningsmetoden, dvs. at den støpeblokk som først fremstilles ved hjelp av smeltning av den konsumbare elektrode, brukes som elektrode i en etter-følgende buesmeltningsprosess, hvorfra man utvinner den endelige støpeblokk. produced from the metal in sponge or powder form, as obtained from its compounds, the electric arc being ignited between the consumable electrode and a water-cooled copper hearth. It is also common practice to produce the final ingot by the double melting method, i.e. that the ingot which is first produced by melting the consumable electrode is used as an electrode in a subsequent arc melting process, from which the final ingot is extracted.

Da man har funnet det nødvendig å When it has been found necessary to

tilveiebringe en klaring på minst en tomme mellom den ytre overflate av elektroden og den indre overflate av det kar hvor det flytende metallet oppsamles, vil det forstås at når man starter med en elektrode som er 20 cm i diameter, vil diameteren av den støpeblokk som til slutt frembringes ved hjelp av den dobbelte smeltemetode, være min. 30 cm, oppfinnelsen befatter seg spesielt med problemet å støpe titanstenger med liten diameter, dvs. dimensjoner som er mye nærmere de dimensjoner som det provide a clearance of at least one inch between the outer surface of the electrode and the inner surface of the vessel in which the liquid metal is collected, it will be understood that when starting with an electrode which is 20 cm in diameter, the diameter of the ingot which finally produced using the double melting method, be min. 30 cm, the invention is particularly concerned with the problem of casting small diameter titanium rods, i.e. dimensions that are much closer to the dimensions that the

endelige smidde produkt, f. eks. valsede stenger eller staver, skal ha. final forged product, e.g. rolled bars or rods, shall have.

Titanstenger med liten diameter fremstilles for tiden ved at man maskinelt be-arbeider støpeblokker av store dimensjoner, smir ned eller valssr dette maskinbearbei-dete produkt og så til slutt videre smir eller valser det ned til den riktige størrelse. Det vil forstås at disse operasjoner medfører vesentlige tap av materiale, idet den første maskinelle bearbeidelse alene kan for-årsake opp til 10 pst. tap i vekt av støpe-blokken, og de medfører også vesentlige kostnader i forbindelse med smiing eller valsing. Small-diameter titanium rods are currently produced by machining ingots of large dimensions, forging or rolling this machined product and then finally further forging or rolling it down to the correct size. It will be understood that these operations entail significant losses of material, as the first mechanical processing alone can cause up to 10 per cent loss in weight of the casting block, and they also entail significant costs in connection with forging or rolling.

Oppfinnelsen vedrører produksjon av stenger med liten diameter for etter-følgende bearbeiding til et smidd produkt, f. eks. valsede stenger eller staver, direkte fra en konsumerbar elektrode med for-holdsvis stor diameter, og det blir for dette formål benyttet en halvkontinuerlig støpe-ovn, d. v. s. ovn hvor støpeblokken bygges opp inne og dras ut kontinuerlig med en passende hastighet fra en støpeovn som er åpen i begge ender. The invention relates to the production of bars with a small diameter for subsequent processing into a forged product, e.g. rolled bars or rods, directly from a consumable electrode with a relatively large diameter, and for this purpose a semi-continuous casting furnace is used, i.e. a furnace where the casting block is built up inside and pulled out continuously at a suitable speed from a casting furnace which is open at both ends.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for halvkontinuerlig støping av metaller hvor en lysbue tennes mellom en konsumbar elektrode av det metall som skal smeltes, og en vannkjølt, ringformet metallherd, og det smeltede metallet som dannes på denne måten, passerer gjennom en åpning i herden inn i en vann-kjølt blokkstøpeform til en halvkontinuerlig støpemaskin. According to the invention, there is provided a method for semi-continuous casting of metals where an arc is ignited between a consumable electrode of the metal to be melted and a water-cooled, ring-shaped metal hearth, and the molten metal formed in this way passes through an opening in the hearth into a water-cooled block mold for a semi-continuous casting machine.

Oppfinnelsen består videre av en halvkontinuerlig støpeovn som er skikket til å arbeide med en konsumbar elektrode som har et tverrsnitt av en gitt størrelse eller innenfor en gitt grense av størrelser, idet nevnte ovn består av en herd som har et tverrsnitt som konisk tilspisses mot et ut-løp ved bunnen av denne, og dette utløp danner en innløpsåpning til en støpeform for å produsere støpeblokker med mindre tverrsnitt enn det elektroden har, idet dimensjonen av nevnte innløpsåpning er så liten i forhold til tverrsnittet av formen at det smeltede metallet vil flyte gjennom innløpet uten å komme i kontakt med veggene i kammeret i nærheten av nevnte innløp. The invention further consists of a semi-continuous casting furnace which is suitable for working with a consumable electrode which has a cross-section of a given size or within a given limit of sizes, said furnace consisting of a hearth which has a cross-section which tapers conically towards an out -run at the bottom of this, and this outlet forms an inlet opening to a mold to produce ingots with a smaller cross-section than that of the electrode, the dimension of said inlet opening being so small in relation to the cross-section of the mold that the molten metal will flow through the inlet without coming into contact with the walls of the chamber near said inlet.

Ved utførelsen av fremgangsmåten iføl-ge oppfinnelsen i en ovn som er konstruert i overensstemmelse hermed, anbringes en konsumbar elektrode av titan som selv er et produkt fra en tidligere smelteoperasjon, i et sylindrisk smeltekammer hvor det opp-rettholdes et trykk under 1 mm kvikksølv-søyle, og elektroden bæres eller understøt-tes ved hjelp av en titanstubb hvis ene ende er sveiset til toppen av elektroden og den andre ende er festet til en kobber-blokk, montert på den nedre ende av en vertikalt plasert elektrodestøter. Elektro-destøteren er ført inn i det sylindriske smeltekammer et gjennom en vakuumpakning og er ved sin øvre ende, som er uten-for kammeret, ved hjelp av en kobling forbundet til bevegelsesorganer. Disse bevegelsesorganer består av en vertikal tann-stang, koblet sammen med et drev som igjen beveges av et drivhjul for å bevirke en nedadgående bevegelse av elektrode-støteren og derfor av selve elektroden under lysbuesmeltingen. When carrying out the method according to the invention in a furnace that is constructed in accordance with this, a consumable electrode of titanium, which is itself a product of a previous melting operation, is placed in a cylindrical melting chamber where a pressure of less than 1 mm of mercury is maintained. pillar, and the electrode is carried or supported by means of a titanium stub, one end of which is welded to the top of the electrode and the other end is attached to a copper block, mounted on the lower end of a vertically placed electrode pusher. The electro-destroyer is introduced into the cylindrical melting chamber through a vacuum seal and is connected to movement means at its upper end, which is outside the chamber, by means of a coupling. These moving means consist of a vertical toothed bar, connected to a drive which is in turn moved by a drive wheel to effect a downward movement of the electrode pusher and therefore of the electrode itself during the arc melting.

En vannkjølt kobberherd som har en omvendt konisk form, danner bunnen av det sylindriske smeltekammeret og ender ved sin nedre ende i et utløp som danner innløpsåpningen i en vertikal støpeform som er plasert under herden. Formen har en mindre diameter enn elektroden, mens utløpet fra herden har en enda mindre diameter, idet de relative tverrsnittsdimen-sjoner som formen og utløpet fra herden har, er slik valgt at det smeltede metallet flyter gjennom utløpet og faller direkte ned i den indre sone i formen, dvs. uten å komme i kontakt med veggene i kammeret i nærheten av utløpet fra herden. Støpe-formen er omgitt av kjølespiraler eller en kjølekappe, Slik at fast metall kontinuerlig bygger seg opp fra det smeltede metall til lange støpeblokker som kan trekkes ut av formen ved hjelp av en vertikalt virkende uttrekningsstang som er skrudd inn i bunnen av støpeblokken. A water-cooled copper hearth having an inverted conical shape forms the bottom of the cylindrical melting chamber and terminates at its lower end in an outlet which forms the inlet opening in a vertical mold placed below the hearth. The mold has a smaller diameter than the electrode, while the outlet from the hearth has an even smaller diameter, the relative cross-sectional dimensions of the mold and the outlet from the hearth being chosen so that the molten metal flows through the outlet and falls directly into the inner zone in the form, i.e. without coming into contact with the walls of the chamber near the outlet from the hearth. The casting mold is surrounded by cooling coils or a cooling jacket, so that solid metal continuously builds up from the molten metal into long casting blocks that can be pulled out of the mold by means of a vertically acting extraction rod screwed into the bottom of the casting block.

Ved drift av ovnen blir uttreknings-armen skrudd eller plugget inn i en bunnplugg, og armen beveges slik at den hever pluggen mot den øvre ende av støpeformen. I pluggens startstilling er dens øvre ende rett under utløpet fra herden. During operation of the furnace, the extraction arm is screwed or plugged into a bottom plug, and the arm is moved so that it raises the plug towards the upper end of the mould. In the initial position of the plug, its upper end is directly below the outlet from the hearth.

Den konsumbare elektrode blir så be-veget inn i stilling ved hjelp av dens til-hørende støter eller stempel, og en bue blir tent mellom elektroden og herden eller mellom elektroden og et hode av titan som er dannet på herden. Ettersom elektroden forbrukes, strømmer smeltet metall gjennom utløpet fra herden som således virker som en innover rettet leppe og ved hvilken metallet drypper ned i formen uten å danne kontakt med de øverste deler av veggene i formen. Under smelteoperajonen blir støpeblokken sakte og kontinuerlig trukket tilbake for å opprettholde en åpning mellom den øvre overflate av støpeblokken og utløpet fra herden. The consumable electrode is then moved into position by its associated ram or plunger, and an arc is struck between the electrode and the hearth or between the electrode and a head of titanium formed on the hearth. As the electrode is consumed, molten metal flows through the outlet from the hearth which thus acts as an inwardly directed lip and by which the metal drips into the mold without making contact with the upper parts of the walls of the mold. During the melting operation, the ingot is slowly and continuously withdrawn to maintain an opening between the upper surface of the ingot and the outlet from the hearth.

På grunn av konstruksjonen av herdens utløp i forhold til dimensjonene av formen og på grunn av ovnens arbeidsmetode, for-årsaker ikke metallets tendens til å stivne rundt utløpet noe problem. Ved anordnin-ger hvor det flytende metall i motsetning hertil tillates å bygge seg opp i herden under dannelse av en ringformet plugg av metall rundt utløpet, og hvor dette er for-holdsvis langt fra varmekilden, vil støpe-blokken kunne bli revet av under uttrek-ningen og der vil også kunne oppstå ska-der på herden. Due to the construction of the outlet of the hearth in relation to the dimensions of the mold and due to the working method of the furnace, the tendency of the metal to solidify around the outlet does not cause any problem. In devices where, in contrast, the liquid metal is allowed to build up in the hearth forming an annular plug of metal around the outlet, and where this is relatively far from the heat source, the casting block could be torn off during extraction and there will also be damage to the hearth.

En utførelsesform av oppfinnelsen er vist i den medfølgende tegning. Det vises til tegningen hvor et elektrode-kammer 1 er festet til en vannkjølt ringformet kobberherd 2. Herdens 2 øvre overflate 3 har en fordypning, og overflaten skråner ned-over mot åpningen 4. Herden 2 er konstruert av tykt kobber og er forsynt med vann-tilkoblinger og med skillevegger for å sikre effektiv kjøling. Det er festet en elektrode 5 med vesentlig større diameter enn diameteren av åpningen 4 til en elektrode-styrestang 6 som går gjennom lokket 7 i kammeret 1 i en vakuumpakning 8. Ved hjelp av styrestangen 6 kan elektroden 5 heves eller senkes i kammeret 1. På grunn av den relativt store diameter som kammeret 1 har, er det ikke nødvendig med vann-kjøling, men det er forsynt med en skjerm-plate 9 for å hindre overheting av kammeret. En elektromagnet 10 rundt herden 2 kontrollerer den bue som tennes mellom elektroden 5 og herden 2. An embodiment of the invention is shown in the accompanying drawing. Reference is made to the drawing where an electrode chamber 1 is attached to a water-cooled annular copper hearth 2. The upper surface 3 of the hearth 2 has a recess, and the surface slopes downwards towards the opening 4. The hearth 2 is constructed of thick copper and is supplied with water -connections and with partitions to ensure efficient cooling. An electrode 5 with a significantly larger diameter than the diameter of the opening 4 is attached to an electrode guide rod 6 that passes through the lid 7 in the chamber 1 in a vacuum seal 8. With the help of the guide rod 6, the electrode 5 can be raised or lowered in the chamber 1. On due to the relatively large diameter of the chamber 1, water cooling is not necessary, but a screen plate 9 is provided to prevent overheating of the chamber. An electromagnet 10 around the hearth 2 controls the arc that is ignited between the electrode 5 and the hearth 2.

Til den nedre enden av herden 2 er festet en vannkjølt metallform 11 som er åpen i begge ender og har en større innvendig diameter enn åpningen 4. Under formen 11 er det et forlenget kammer med større innvendig diameter enn den formen har, og dette kammer er betegnet som støpeblokk-kammeret 12. I den øvre avtag-bare del av støpeblokkammeret 12 er anordnet et inspeksjonsvindu 13 og en va-kuumtilkobling 14. I den nedre ende av støpeblokkammeret 12 er lukkeplaten 15 gjennom hvilken i en vakuumpakning 16 er ført en uttrekningsstang 17. I den nedre del av støpeblokkkammeret 12 er anordnet diametralt like overfor hverandre to åp-ninger 18 som begge er lukket med skrue-lokk. Attached to the lower end of the hearth 2 is a water-cooled metal mold 11 which is open at both ends and has a larger internal diameter than the opening 4. Below the mold 11 is an elongated chamber with a larger internal diameter than the mold, and this chamber is referred to as the ingot chamber 12. An inspection window 13 and a vacuum connection 14 are arranged in the upper removable part of the ingot chamber 12. At the lower end of the ingot chamber 12 is the closing plate 15 through which an extraction rod 17 is guided in a vacuum seal 16 In the lower part of the ingot chamber 12, two openings 18 are arranged diametrically opposite each other, both of which are closed with screw caps.

Ovnen kan evakueres og om ønsket fylles med en indifferent gass gjennom forbindelsene 14 og 19. The oven can be evacuated and, if desired, filled with an inert gas through connections 14 and 19.

Elektroden 6 er forbundet til den ne-gative pol og herden 2 til den positive pol til en passende likestrømskilde. The electrode 6 is connected to the negative pole and the core 2 to the positive pole of a suitable direct current source.

Når ovnen skal settes i drift, fjernes lokket 7 og styrestangen 6 heves over kammeret 1. Elektroden 5 festes så til styrestangen 6 på en kjent måte og senkes ned i kammeret 1, og lokket blir så lagt på igjen. When the oven is to be put into operation, the lid 7 is removed and the control rod 6 is raised above the chamber 1. The electrode 5 is then attached to the control rod 6 in a known manner and lowered into the chamber 1, and the lid is then put back on.

Pakningsplaten 15 og uttrekningsstan-gen 17 trekkes tilbake, og en bunnplugg 20, som er laget av samme type metall som det som skal smeltes, festes til stangen 17 ved hjelp av et gjenget hull i den nedre ende av pluggen som er tilpasset skruen 21 på endedelen av stangen. Pluggen har også et hull 22 som går tvers gjennom den langs en diameter og er plasert slik at når pluggen er i sin nederste stilling, vil hullet 22 være rett overfor åpningene 18. I den øvre del av pluggen 20 er det et svalehalespor 23 som strekker seg tvers over pluggen og har en svakt konet form. Pakningsplaten 15 settes på plass, og stangen heves slik at pluggen 20 beveges inn i formen 11 til en stilling i nærheten av den nedre del av herden 2. The packing plate 15 and the extraction rod 17 are withdrawn, and a bottom plug 20, which is made of the same type of metal as that to be melted, is attached to the rod 17 by means of a threaded hole in the lower end of the plug which is adapted to the screw 21 on the end of the rod. The plug also has a hole 22 which runs transversely through it along a diameter and is positioned so that when the plug is in its lowest position, the hole 22 will be directly opposite the openings 18. In the upper part of the plug 20 there is a dovetail groove 23 extending across the plug and has a slightly conical shape. The sealing plate 15 is put in place, and the rod is raised so that the plug 20 is moved into the mold 11 to a position near the lower part of the hearth 2.

Ovnen befries for luft gjennom tilkob-lingene 14 og 19, og elektroden senkes ned mot herden 2, og en bue tennes mellom den nedre del av elektroden og herdens øvre overflate 3. Elektromagneten 10 bevirker at buen roterer rundt den nedre ende av elektroden 5 og metallet smeltes derfor jevnt fra elektroden hvis ende antar en konisk form. Elektroden 5 kan naturligvis forsynes med en konisk formet nedre del før den plasseres i ovnen. The oven is freed of air through the connections 14 and 19, and the electrode is lowered towards the hearth 2, and an arc is ignited between the lower part of the electrode and the upper surface of the hearth 3. The electromagnet 10 causes the arc to rotate around the lower end of the electrode 5 and the metal is therefore melted uniformly from the electrode whose end assumes a conical shape. The electrode 5 can of course be provided with a conical lower part before it is placed in the oven.

Det smeltede metallet drypper ned fra den nedre del av elektroden 5 inn i formen 11, men en del metall kan også falle ned på den øvre overflate 3 av herden 2 og så falle videre ned i formen 11 ved å dryppe fra den nedre ende av åpningen 4. For dette formål har åpningen 4 en mindre diameter enn formen 11 for å hindre at smeltet metall renner ned langs siden av formen hvor metallet på grunn av vannkjølingseffekt ville stivne og danne et hode. En støpeblokk som er produsert på en slik måte, ville ha en meget dårlig overflate. The molten metal drips down from the lower part of the electrode 5 into the mold 11, but some metal can also fall onto the upper surface 3 of the hearth 2 and then fall further into the mold 11 by dripping from the lower end of the opening 4. For this purpose, the opening 4 has a smaller diameter than the mold 11 to prevent molten metal from flowing down the side of the mold where the metal would solidify due to the water cooling effect and form a head. A casting block produced in such a way would have a very poor surface.

Det smeltede metall som kommer inn i formen 11, er bare i en liten grad overopp-hetet og stivner hurtig og bygger opp en masse av fast metall svarende til tverrsnittet av formen 11 og som er festet til pluggen 20 ved hjelp av svalehalesporet 23. Nivået av det stivnede metall blir holdt konstant ved at man trekker tilbake stangen 17 og med den det stivnede metallet. Når elektroden 5 er fullstendig smeltet eller når støpeblokken 24 har den ønskede stør-relse, blir lysbuen brutt. Inspeksjon av smeltningen kan utføres ved hjelp av in-speksjonsvinduet 13 og et tilsvarende inspeksjonsvindu (ikke vist) i kammeret 1. For å fjerne støpeblokken 24 oppheves først vakuumet inne i ovnen, hullet 22 bringes overfor åpningene 18 fra hvilke skrue-lokkene er fjernet, en stang innføres gjennom åpningene 18 og hullet 22, lukkeplaten 15 åpnes og staven 17 skrues løs fra pluggen 20. Formålet med å plassere en stang i hullet 22 er å hindre støpeblokken i å rotere når staven 17 skrues løs. Støpe-blokken kan så trekkes ut av ovnen, og pluggen 20 kan løsnes fra støpeblokken ved å bevege pluggen i en retning på tvers av støpeblokkens akse, slik at svalehalen går ut av inngrep. The molten metal that enters the mold 11 is only slightly overheated and solidifies quickly and builds up a mass of solid metal corresponding to the cross-section of the mold 11 and which is attached to the plug 20 by means of the dovetail groove 23. The level of the solidified metal is kept constant by pulling back the rod 17 and with it the solidified metal. When the electrode 5 is completely melted or when the casting block 24 has the desired size, the arc is broken. Inspection of the melting can be carried out by means of the inspection window 13 and a corresponding inspection window (not shown) in the chamber 1. To remove the ingot 24, the vacuum inside the furnace is first lifted, the hole 22 is brought opposite the openings 18 from which the screw caps have been removed, a rod is inserted through the openings 18 and the hole 22, the closing plate 15 is opened and the rod 17 is unscrewed from the plug 20. The purpose of placing a rod in the hole 22 is to prevent the casting block from rotating when the rod 17 is unscrewed. The casting block can then be pulled out of the furnace, and the plug 20 can be detached from the casting block by moving the plug in a direction across the axis of the casting block, so that the dovetail goes out of engagement.

I en annen av oppfinnelsens utførelses-former er formen 11 på sin indre overflate forsynt med en foring av et materiale som har en lavere termisk ledningsevne enn metallet fra hvilket formen er laget. F. eks. anvendes en grafittforing med en kobberform. Foringen reduserer avkjølings-hastigheten av det smeltede metallet, og på den måten forsøker man å hindre at det danner seg skjøter i overflaten. In another embodiment of the invention, the mold 11 is provided on its inner surface with a lining of a material which has a lower thermal conductivity than the metal from which the mold is made. For example a graphite liner with a copper mold is used. The liner reduces the cooling rate of the molten metal, and in this way attempts are made to prevent joints from forming in the surface.

Metoden kan anvendes på forskjellige elektrode- og støpeblokkstørrelser. Elektroden er alltid større enn den støpeblokk som blir produsert, f. eks. ville man bruke en 12" diameter elektrode for å produsere en 6" støpeblokk, og diameteren av åpningen i herden vil i et slikt tilfelle være omkring 4". Metoden er anvendbar for å produsere støpeblokker passende for valsing til stenger. The method can be applied to different electrode and ingot sizes. The electrode is always larger than the ingot being produced, e.g. one would use a 12" diameter electrode to produce a 6" ingot, and the diameter of the opening in the hearth would in such a case be about 4". The method is applicable to producing ingots suitable for rolling into bars.

Claims

1. Method for semi-continuous casting of reactive metals, e.g. titanium where the metal that has been melted in an arc furnace is fed into the mold of a semi-continuous casting machine, characterized in that an arc is struck between a consumable electrode (5) and a water-cooled ring-shaped metal hearth (2), the molten metal thus being formed , is fed into the mold through the opening in the hearth without touching the walls of the mold (11).

2. Semi-continuous casting furnace for out- carrying out the procedure as indicated in claim 1, characterized in that the oven consists of a metal hearth (2), which has a cross-section which is beveled towards an outlet at the bottom thereof and where the outlet forms an inlet opening for a mold (11) which produces a casting block (24) with a smaller cross-section than the cross-section of the electrode (5), the dimension of the inlet opening being sufficiently small in relation to the cross-section of the mold so that the molten metal can flow through the inlet opening without touching the walls of casting chambers in the vicinity of the inlet opening.