NO169877B - Anordning for smelting og kontinuerlig stoeping av metaller, en fremgangsmaate ved drift av denne samt anvendelse av anordningen - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en vertikal anordning for smelting og kontinuerlig støping av metaller, av den type som kjennes som kolddigel induksjonsoppvarming.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte ved drift av denne anordning samt anvendelse av anordningen for omsmelting eller støping av metaller eller legeringer.

Den kolde digel har en ledende vegg, ofte fremstilt av kobber, omfattende et antall longitudinelle sektorer som i antall ligger fra 4 til over 20. Disse befinner seg ved siden av hverandre og er elektrisk isolert fra hverandre og har en indre sirkulering av kjølefluidet gjennom seg.

Således holdes veggen ved en temperatur langt under den til det smeltede materialet.

Digelen er over en del av høyden omgitt av en avkjølet koaksial skrueformet induktor med en midlere eller høyfre-kvent vekselstrøm gjennom seg. Oppdelingen av digelveggen i sektorer tillater at det alternerende magnetiske felt i induktoren induserer strømmer i det metalliske materiale som behandles, noe som oppvarmer og dette og agiterer det når det er smeltet.

I en første kategori av kontinuerlig støpeapparatur med en kolddigel blir det smeltede materialet progressivt helt ut gjennom en åpning, generelt i bunnen av digelen. Apparaturen brukes så utelukkende for oppvarming og størkningen skjer i en spesiell støpeform. Forurensning av metallet på grunn av veggen kan unngås ved dannelse av en film av størknet slagg i kontakt med veggen, noe som gir en hylse rundt det flytende metall.

En annen løsning er elektromagnetisk begrensning ved hjelp av et alternerende magnetisk felt som gir krefter som forårsaker at lateraloverflaten av det smeltede materiale løsner fra veggen. Disse to metoder er angitt i FR-PS 2497050 tilsvarende US-PS 4 432 093.

I en andre kategori kontinuerlige støpeapparaturer med kolddigel blir metall progressivt helt ut i fast tilstand ved trekking nedover. Således oppvarmer eller smelter apparaturen chargen, avkjøler og størkner den så og ekstraherer den. Dette er tilfelle i US-PS 3 775 091.

Metallet er aldri i kontakt med den vertikale sylindriske digel, for det første fordi det underkastes elektromagnetiske avgrensningskrefter og for det andre på grunn av at et sjikt av størknet slagg dannes mellom metallet (flytende eller fast) og veggen over hele høyden av apparaturen. Her foreligger det flere mangler: for det første krever den store kontaktlengde mellom fast materiale og veggen en sterk trekkraft og forholdsregler for å forhindre at materialet trekkes av digelveggen, og for det andre fordi sjiktet av slagg som adherer til barren må skalles av før barren konverteres. Til slutt er slagget vanskelig å behandle, det er en fare for forurensning av metallet og korrosjon på digelen og medfører ekstra ovnsrensing fordi det fordampes når arbeidet skjer under vakuum, og dette gjør det mulig å oppnå enhver annen form til barren annet enn sylindriske.

Oppfinnelsen angår en anordning av den andre kategori som unngår disse mangler.

Anordningen ifølge oppfinnelsen for kontinuerlig støping av metall omfattende en vertikal, ledende kold digel der minst en del av høyden av veggen foreligger i form av langsgående sektorer som er elektrisk isolert fra hverandre og har en avkjølende væske i gjennomløp, en induktor med skrueviklinger som omgir digelen over en del av høyden og som mates med vekselstrøm både for oppvarming og avgrensing av metallet, et system for avtrekking av barren og eventuelt et kammer med en kontrollert atmosfære som skiller i det minste innholdet i digelen fra den ytre atmosfære, karakteriseres ved at digelen har en øvre sone som er oppdelt i sektorer med parallelle vertikale generatriser, og en nedre sone delt i sektorer og forenet med den øvre sone idet generatrisene for den nedre sone sprer seg i nedover retning fra skjøten mellom de to soner, og at den nederste vikling av induktoren befinner seg på høyde med skjøten.

Som antydet ovenfor angår oppfinnelsen også en fremgangsmåte ved drift av den beskrevne anordning der fast metall mates kontinuerlig inn i flytende form oppvarmes og smeltes ved induksjon, der flytende metall avgrenses elektromagnetisk og avkjøles ved sirkulering av en kjølevæske i veggen av digelen og der metallet trekkes av i størknet tilstand ved å trekke det nedover i en hastighet tilsvarende matehastigheten, og fremgangsmåten karakteriseres ved at flytende metall holdes på en slik måte at det ved fravær av slagg kommer i kontakt med veggen over en begrenset høyde som ikke overskrider 1 cm, over skjøten mellom den øvre og nedre sone i digelen som er delt i sektorer.

Som antydet innledningsvis angår oppfinnelsen også an-vendelsen av anordningen for omsmelting eller støping av ett eller flere metaller eller legeringer fra gruppen bestående av metaller fra gruppene IV, V og VI og disses legeringer, sjeldne jordarter, aluminium, kobber, silisium, nikkelbaserte og koboltbaserte legeringer.

Gitt elektrisk kontroll av induktoren muliggjør denne konstruksjon at flytende materiale elektromagnetisk avgrenses fra veggen bortsett fra innen en meget kort del, fortrinnsvis ikke mer enn 1 cm i høyde, på det nivå der de to soner i digelen forenes, her størkner den laterale vegg eller hud av metallet i kontakt med den kolde digelvegg. Under dette nivå øker tykkelsen av det størknede metall inntil det størknede metall utgjør hele tverrsnittet av barren.

På grunn av forandringen i tverrsnitt i digelen mellom den øvre og nedre sone berører det faste metall kun veggen over den meget lave antydede høyde. Dette letter trekking av barren, det er ingen forurensning av det størknende metall på grunn av metall fra digelen og så og si ingen fare for at metall trekkes av veggen slik at barren har god overflatetilstand. Anordningen gjør det mulig å arbeide uten slagg og derved også å forenkle matesystemet, å arbeide lett under vakuum eller i en inert atmosfære og å utelate skrelling før barren bearbeides. For at anordningen skal arbeide riktig må det være en kontaktsone mellom metallet og veggen for at det skal dannes hud på barren.

Der er nu overraskende oppdaget at så lenge kontaktsonen er kort, vil den elektriske kontakt som dannes mellom metall mellom sektorene i barren ikke forhindre elektrisk drift av systemet, således er høyden for denne sone begrenset til mindre enn 1 cm og fortrinnsvis fra 2 til 5 mm. Nivået for den nederste vikling i induktoren er meget viktig. Hvis den er over skjøten mellom de to soner i digelen kan høyden for kontakten mellom metall og vegg ikke begrenses tilstrekkelig og derfor vil det være elektriske vanskeligheter og videre vanskeligheter ved trekking av barren. Evis på den annen side den befinner seg under forbindelseslinjen vil det være en vesentlig større fare for at flytende metall renner ut langs veggen.

Når sonen som forener de sylindriske og koniske deler av digelen er krummet og relativt korte er referansenivået for den laveste vikling av induktoren der forlengelsene av disse to soner skjærer hverandre.

Den vinkel ved hvilken de skrådde generatriser for den nedre sone av digelen skrås til den vertikale generatriselinje for den øvre vegg, oppdelt i sektorer, avhenger av kontraksjons-koeffisienten for materialet som størkner. Denne må velges slik at barren forblir så nær veggen som mulig slik at den kan fortsette sin avkjøling uten berøring. Vinkel fra 1 til 5° og fortrinnsvis ca. 2° velges generelt.

Når anordningen arbeider i likevekt er mengden metall som inneholdes i den så konstant som mulig fordi tilmatning og avtrekking nøyaktig reguleres. Toppen av domen av flytende metall (formene skyldes den elektromagnetiske avgrensning) holdes på et konstant nivå som avhenger av de elektriske og magnetiske karakteristika for systemet og typen metall. Den høyde som velges for induktoren er fortrinnsvis slik at dens toppvikling befinner seg ved nivået for toppen av den flytende dom. Hvis induktoren er kortere vil domen være ustabil med fare for kontakt mellom metall og vegg i uønskede soner. Det er en fordel i den øvre sone av digelen som er delt i sektorer, at den strekker seg ut over toppen av den flytende dom i en avstand ca. 1/6 av den indre tverrdimensjon av digelen.

Den indre tverrdimensjon er halvparten av den smaleste dimensjon av digelen. Når det gjelder et sirkulært tverrsnitt er det radien. Når det gjelder en ellipse er det halvparten av den lille akse. Når det gjelder kvadrat er det halvparten av siden og når det gjelder et rektangel er det halve bredden. I det tilfelle det er et komplekst tverrsnitt er dimensjonen til slutt halvparten av avstanden mellom de nærmeste parallelle segmenter eller halvparten av avstanden mellom de nærmeste punkter med parallelle tangenter. - I en alternativ utførelsesform kan digelen strekke seg oppover en sone som ikke er oppdelt i sektorer. Den totale høyde av digelen over den høyeste vikling av induktoren er i dette tilfelle minst lik halvparten av den indre tverrdimensjon av digelen. Den indre tverrdimensjon måles i den øvre sone med vertikal generatrise, omgitt av induktoren. Denne nedre sone av digelen som er delt i sektorer har en total høyde som er minst lik halvparten av den indre tverrdimensjon av digelen for å unngå en skjermingsvirkning som ellers ville gi et fall i energiutbyttet. Veggene er enten helt skrå eller skrådd først og så forlenget nedover med en vertikal del.

I det sistnevnte tilfelle er høyden av den skrådde del minst lik 1/4 av den indre tverrdimensjon av digelen. Digelen kan også forlenges nedover med en sone som ikke er delt i sektorer og med en vertikal eller skrådd avkjølt vegg forbundet med den oppdelte sone over seg. Høyden vil fortrinnsvis ligge mellom den indre tverrdimensjon av digelen og halvparten av denne. Hovedfunksjonen er å fortsette avkjølingen av barren.

Veggen i digelen fremstilles av et materiale som er en god varme- og elektrisk leder, for eksempel kobber eller aluminium, for derved å oppnå godt energiutbytte.

Kontinuerlig støping uten slagg ifølge oppfinnelsen, noe som nødvendiggjør en sone med direkte metall-vegg kontakt over en kort høyde, krever en forbindelsesvinkel mellom væsken og veggen som gir dårlig fukting. I enkelte tilfeller er den indre overflate av digelen derfor utstyrt med et overflatebelegg, for eksempel et metallbelegg, eller gitt en overflatebehandling for å gi utmerkede overflatebetingelser for barren.

Anordningen ifølge oppfinnelsen er tilpasset fremstilling av sylindriske barrer. Den er også tilpasset fremstilling av barrer av ikke-sirkulært, for eksempel polygont, med tverrsnitt uten slagg, hvis den indre vegg av den øvre sone i digelen har en polygonal sylindrisk form. Disse barrer kan ikke oppnås i nærvær av slagg fordi størkning av slagget i hjørnene forhindrer at tverrsnittet utfylles på skikkelig måte med metall. For derfor å oppnå en effektiv verdi for det magnetiske felt enhetlig langs den indre vegg av digelen må induktorene modifiseres. I en første utførelsesform, vist i fig. 2, er avstanden mellom induktoren og veggen variert nær hjørnene for å redusere feltstyrken der. I en andre utførelsesform, vist i fig. 4, er den magnetiske krets arrangert i rette deler av tverrsnittet av digelen, for eksempel ved partielt å omgi induktoren med magnetiske stålomhyllinger eller ferriter, eventuelt avkjølte slike, for å øke feltet i disse soner.

Anordningen ifølge oppfinnelsen som er spesielt fordelaktig for omsmelting og støping av ildfaste metaller fra gruppe IV, V og VI og legeringer derav, kan også benyttes for smelting og støping av andre metaller eller legeringer, for eksempel sjeldne jordarter, aluminium, kobber, silisium og nikkelbaserte eller koboltbaserte legeringer. Den er spesielt egnet for fremstilling av metall ved kjemisk omsetning, spesielt når det andre produkt som dannes ved reaksjonen er gassformig eller flyktig. Figurene la og lb er et tverrsnitt og et aksialsnitt gjennom en avkjølt digel ifølge oppfinnelsen; Figur 2 viser en halvkontinuerlig smelte- og støpeinstalla-sjon ifølge oppfinnelsen i en kontrollert atmosfære; og Figurene 3 og 4 viser diagrammatiske tverrsnitt gjennom polygone digler med de egnede induktorer.

Eksempel 1

I fig. lb er de elektriske og fluide forbindelser ikke vist. Henvisning 1 er til en kobberdigel med sirkulært tverrsnitt og høyde 180 mm. Toppen på 125 mm (a+b+c), omfatter 16 hule sektorer 2, hver i det vesentlige av trapezoid tverrsnitt, se fig. la, og avkjøles ved intern vannsirkulering. Bunnen (d) på 55 mm omfatter et skjørt 3 som også er avkjølt ved Indre vannsirkulerlng, se fig. lb.

Den øvre sone 4 i digelen 1 foreligger i form av en sylinder som er 80 mm høy med vertikale generatriser med en indre diameter på 60 mm. Den nedre sone 5 har formen av en skrådd kon med en høyde på 100 min og en toppvinkel på 4'. Den er delt i seksjoner over en høyde c på 44 mm mens resten av høyden d = 55 mm ikke er oppdelt på denne måte.

Induktoren 6 er et 1 mm tykt kobberrør med en indre diameter på 6 mm. Det er viklet i en spiral med diameter 85 mm over en høyde på 7 viklinger idet viklingene i det vesentlige ligger mot hverandre og er isolerte. 7 er den falske bunn av den sylindriske del av digelen på hvilken det faste materiale 8 i barren hviler. Den falske bunn trekkes nedover i en kontinuerlig operasjon.

Enheten befinner seg i et isolert kammer under argon ved atmosfærisk trykk. Titanspon renses ved omsmelting. Når prosessen startes opp blir den falske bunn av titan anordnet slik at dens øvre overflate er halvveis oppe i induktoren. Den elektriske effekt økes gradvis inntil toppen av den falske bunn smelter. Den falske bunn trekkes forsiktig av mens titanspon mates til og effekten ytterligere økes til den nominelle verdi.

Når toppen 9 til væskedomen 10 når nivået for toppen 11 av induktoren 6 mates titansponet til ved normal driftshastig-het, det vil si 200 g/minutt, og den falske bunn trekkes nedover i en hastighet av 1,6 cm/minutt. Under driften holdes høyden av metall-veggkontakten til mellom 2 og 5 mm. Ef ter 32 minutter oppnås det 6,5 kg barre med følgende sammensetning: 02'- 2000 ppm;

C : 230 ppm;

N£: 105 ppm;

Cu: < 20 ppm;

Tl: resten

og med utmerket overflatetilstand.

Fig. 2 viser den halvkontinuerlige støpeinstallasjon som benyttes. Digelen 20 er anbragt i det tette kammer 21 under argon ved atmosfærisk trykk. Midlene for tilførsel av inertgass eller for å bringe kammeret under vakuum er ikke vist. Bingen 28 inneholder materiale som mates til digelen gjennom fordeleren 23. Den falske bunn 7 som bærer barren 25 er forbundet med staven 26 som drives av en anordning 27 og går gjennom bunnen av kammeret 21 gjennom en pakning. Driften av tilmatningen og avtrekkingen synkroniseres ved ikke viste egnede kontrollanordninger, for eksempel en laser-måling av nivået for domen av flytende metall i digelen.

Eksempel 2

En digel konstruert for å behandle zirkoniumavfallet har i det vesentlige de samme dimensjoner som i eksempel 1 bortsett fra to trekk: konvinkelen er 2,5° og høyden av det nedre koniske skjørt som ikke er delt i sektorer, er 70 mm.

Driftseffekten er 35 kW ved induktorpolene og strømmen har en frekvens på 9 kHz. Driften skjer under argon ved atmosfærisk trykk.

Driftsmåten er den samme som i eksempel 1. Høyden av metall-veggkontakten er 2 til 8 mm under driften. I likevektstil-stand er matehastigheten for zirkoniumflis 175 g/minutt og nedtrekkingshastigheten 1 cm/minutt. I løpet av 54 minutter oppnås 9,4 kg barre med god overflatetilstand og inneholdende følgende urenheter: 02 : 700 ppm;

C : 30 ppm;

N£: 80 ppm;

Cu: < 10 ppm

Eksempel 3

En 16 sektor kobberdigel med en indre diameter på 100 mm og en totalhøyde på 280 mm er laget for å rense spon av titanlegering TA6V. Sektorene strekker seg over 230 mm fra toppen. Den øvre del er sylindrisk og 130 mm høy; den nedre del er frustonisk med en vinkel på 2° og en høyde på 100 mm oppdelt i sektorer.

Induktoren med 10 viklinger er fremstilt av rør med en ytre diameter på 8 mm og en tykkelse på 1 mm og har en høyde på 85 mm og en indre diameter på 150 mm. Driften gjennomføres i argon ved atmosfærisk trykk med en effekt på 50 kW og en frekvens på 3 kHz, en matehastighet på 466 g/minutt og en ekstraheringshastighet på 1,3 cm/minutt. Høyden for metall-veggkontakten holdes til mellom 5 og 10 mm. En 35 kg barre oppnås i løpet at 75 minutter.

Eksempel 4 ( Figur 3)

Bjelker med rektangulært tverrsnitt på 75 mm x 18 mm oppnås fra spon av TA6V legering. Digelen 100 er rektangulær, sidene er 75 mm og I = 18 mm. Den tilsvarende halve indre tverrdimensjon er 9 mm. Dens totale høyde er 109 mm. Fra topp til bunn omfatter den en 65 mm høy sylindrisk del oppdelt i sektorer, en 15 mm konisk del oppdelt i sektorer og en 35 mm konisk del som ikke er delt i sektorer. Konvinkelen er 2°. Antallet sektorer er 18. Induktoren 106 med seks viklinger er 50 mm høy. Den består av det samme kobberrør som i de tidligere eksempler. Rommet mellom digel og induktor er 10 mm bortsett fra nær hjørnene der den er større. Driften gjennomføres under argon ved atmosfærisk trykk med en effekt på 35 kW over induktorpolene, en frekvens på 100 kHz, en matehastighet på 175 g/minutt og en avtrekkingshastighet på 2,9 cm/minutt. Høyden av metall-veggkontakten er mellom 5 og 10 mm. Det oppnås en 1,5 kg tung barre i løpet av 11 minutter.

Eksempel 5 ( Figur 4)

Denne figur viser en modifikasjon av eksempel 4 der induktoren 206 med i det vesentlige konstant avstand til (sic) sektorene i digelen 200, er omgitt av magnetiske stålplater 2060 over de rette deler for derved å øke feltet i de tilsvarende soner.

Claims (10)

1. Anordning for smelting og kontinuerlig støping av metaller omfattende en vertikal, ledende kold digel (1) med minst en del av høyden av sin vegg i form av langstrakte sektorer (2) som er elektrisk isolert fra hverandre og har et gjenn-omløpende kjølefluid; en induktor (6) med skrueviklInger rundt digelen (1) over en del av dennes høyde og matet med middel- eller høyfrekvent vekselstrøm både for oppvarming og avgrensing av metallet; et system (7, 26, 27) for nedtrekking av barren; og eventuelt et kammer (21) med kontrollert atmosfære som separerer i det minste innholdet i digelen (1) fra atmosfæren, karakterisert ved at digelen (1) har en øvre sone (4) som er oppdelt i sektorer med parallelle vertikale generatriser (40), og en nedre sone (5) oppdelt i sektorer og forenet med den øvre sone (4) i det generatrisene for den nedre sone sprer seg i nedoverretning fra skjøten (45) mellom de to soner (4 og 5), og at den nederste vikling (60) av induktoren (6) befinner seg på høyde med skjøten (45).

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisert ved at den nedre sone (5), delt i sektorer, og hvis generatriser er skrå, er forlenget nedover med en sone som er oppdelt i sektorer (c, d) og med vertikale generatriser i det høyden av den første sone er minst lik 1/4 av den indre tverrdimensjon av digelen.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den nedre sone (5) av digelen (1), oppdelt i sektorer (c, d), er forlenget nedover med en avkjølt sone (3) som ikke er oppdelt i sektorer.

4. Anordning ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at den indre overflate av den øvre sone (4) i digelen (1) er utstyrt med et overflatebelegg eller er behandlet for å oppnå dårlig fukting av overflaten med det flytende metall.

5. Anordning ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at skråvinkelen for de skrå generatriser til den øvre sone (5) i digelen (1) som er oppdelt i sektorer, er fra 1 til 5°.

6. Anordning ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert ved at den indre vegg av den øvre sone (4) i digelen (1) har sirkulær sylindrisk form og der den indre vegg av den nedre sone (5) oppdelt i sektorer, har form av en avskåret kjegle.

7. Anordning ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert ved at den indre vegg av den øvre sone (4) i digelen (1) har en polygonal sylindrisk form.

8. Fremgangsmåte ved drift av anordningen ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 7, der fast metall mates kontinuerlig inn i finoppdelt form, oppvarmes og smeltes ved induksjon, der flytende metall avgrenses elektromagnetisk og avkjøles ved sirkulering av en kjølevæske i veggen av digelen og der metallet trekkes av i størknet tilstand ved å trekke det nedover i en hastighet tilsvarende matehastigheten, karakterisert ved at, det flytende metall holdes på en slik måte at det i fravær av slagg, kommer i kontakt med veggen over en begrenset høyde som ikke overskrider 1 cm, over skjøten (45) mellom den øvre (4) og nedre (5) sone i digelen (1) som er delt i sektorer.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at mate- og avtrekkingshastigheten holdes konstant slik at toppen (9) av domen av flytende metall (10) i det vesentlige befinner seg på nivået for den høyeste vikling (11) av induktoren (6).

10. Anvendelse av anordningen ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 7 for omsmelting eller støping av ett eller flere metaller eller legeringer fra gruppen bestående av metaller fra gruppene IV, V og VI og disses legeringer, sjeldne jordarter, aluminium, kobber, silisium, nikkelbaserte og koboltbaserte legeringer.