RU139171U1

RU139171U1 - METALLURGICAL COMPLEX FOR VACUUM ARC SURFACE MOUNTING

Info

Publication number: RU139171U1
Application number: RU2013154862/02U
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Маньков; Вадим Николаевич Федотов
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма"
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-04-10

Abstract

Металлургический комплекс для вакуумной дуговой гарнисажной плавки, содержащий вакуумную водоохлаждаемую камеру, электрододержатель, расходуемый электрод-гарнисаж, вакуумпровод, средства управления и наблюдения за дугой и сливом металла, водоохлаждаемый плавильный тигель и кристаллизатор, отличающийся тем, что электрододержатель, вакуумпровод, средства управления и наблюдения за дугой и сливом металла размещены в упомянутой водоохлаждаемой вакуумной камере, смонтированной в стационарном центральном блоке, который для осуществления плавки выполнен с возможностью попеременного пристыковывания к нему посредством поворотно-стыковочного механизма одного из идентичных подвижных плавильных модулей, имеющих возможность перемещения по наземным путям из технологических порталов, расположенных концентрично по отношению к стационарному центральному блоку, при этом один из подвижных плавильных модулей содержит вакуумную камеру с шиберной вакуумной заслонкой и механизмом поворота и размещенными внутри нее упомянутыми плавильным тиглем с механизмом наклона и кристаллизатором, а остальные подвижные плавильные модули выполнены с возможностью проведения в них основных и вспомогательных технологических операций, при этом плавильные модули выполнены с возможностью охлаждения посредством системы гибких трубопроводов от насосной станции.Metallurgical complex for vacuum arc skull melting, comprising a vacuum water-cooled chamber, an electrode holder, a consumable electrode skull, a vacuum pipe, control and monitoring of an arc and a metal drain, a water-cooled melting crucible and a mold, characterized in that the electrode holder, vacuum pipe, control and monitoring tools behind the arc and the discharge of metal are placed in the aforementioned water-cooled vacuum chamber mounted in a stationary central unit, which for The smelting process is capable of alternately docking to it by means of a rotary-docking mechanism of one of the identical movable melting modules, which can be moved along ground paths from technological portals located concentrically with respect to the stationary central unit, while one of the movable melting modules contains a vacuum chamber with a vacuum gate valve and a pivoting mechanism and said melting crucible with a tilting mechanism located inside it; mold, and the rest of the mobile melting modules are made with the possibility of carrying out the main and auxiliary technological operations in them, while the melting modules are made with the possibility of cooling by means of a flexible piping system from the pump station.

Description

Полезная модель относится к области к специальной электрометаллургии, в частности к вакуумно-дуговым гарнисажным печам и может быть использовано для выплавки высокореакционных металлов и сплавов, преимущественно титановых.The utility model relates to the field of special electrometallurgy, in particular to vacuum arc skull furnaces and can be used for smelting highly reactive metals and alloys, mainly titanium.

При плавке в вакуумных дуговых гарнисажных печах для плавления расходуемого электрода и шихтового материала, уложенного в тигле, в качестве источника нагрева используется электрическая дуга большой мощности. При этом одним из электродов является шихтовой материал, а расходуемым электродом для получения слитков служит сформировавшийся в тигле на предыдущей плавке гарнисаж. Плавка производится в вакуумном пространстве, что необходимо для отведения из расплава газовых примесей. В качестве источника нагрева используется электрическая дуга большой мощности, возникающая между расходуемым (сплавляемым в тигель) электродом и шихтой, загруженной в тигле. Расходуемым электродом служит титановый гарнисаж, извлеченный из тигля после предыдущей плавки. В процессе плавки в тигле накапливается необходимый объем жидкого расплава, после чего тигель, посредством специального механизма, наклоняется, сливая часть жидкого расплава в кристаллизатор.When melting in vacuum arc skull furnaces for melting a consumable electrode and charge material laid in a crucible, a high-power electric arc is used as a heating source. In this case, one of the electrodes is charge material, and the consumable electrode for obtaining ingots is the skull formed on the previous melting in the crucible. Melting is carried out in a vacuum space, which is necessary for the removal of gas impurities from the melt. As a heating source, an electric arc of high power is used, which arises between a consumable (fused into a crucible) electrode and a charge loaded in the crucible. The consumable electrode is a titanium skull extracted from the crucible after the previous melting. During the melting process, the required volume of liquid melt accumulates in the crucible, after which the crucible, by means of a special mechanism, tilts, draining part of the liquid melt into the crystallizer.

Оценка результатов, полученных при производстве промышленных слитков в вакуумных дуговых гарнисажных печах позволяет выделить следующие положительные их качества:Evaluation of the results obtained in the production of industrial ingots in vacuum arc skull furnaces allows us to highlight the following positive qualities:

- эффективное удаление газовых включений из расплава при плавке в вакуумном объеме;- effective removal of gas inclusions from the melt during melting in a vacuum volume;

- ликвидация ограничений по минимальной доли титановой губки в шихте (по сравнению с печами вакуумно-дугового переплава (ВДП));- the elimination of restrictions on the minimum proportion of titanium sponge in the charge (compared with vacuum arc remelting furnaces (VDP));

- высокая химическая однородность слитка, т.к. легирующие элементы во время накопления необходимого объема жидкой ванны в тигле перемешиваются конвективными и электромагнитными взаимодействиями;- high chemical uniformity of the ingot, because alloying elements during the accumulation of the required volume of the liquid bath in the crucible are mixed by convective and electromagnetic interactions;

- отсутствие в слитке твердосплавных включений, которые не переходят в жидкую фазу в жидкой ванне тигля и остаются «вмороженными» в стенки гарнисажа.- the absence in the ingot of carbide inclusions that do not go into the liquid phase in the liquid bath of the crucible and remain “frozen” into the walls of the skull.

Однако, для предотвращения интенсивного насыщения поверхностей слитка и гарнисажа кислородом и азотом, содержащимися в атмосфере, температура поверхности выгружаемого из печи слитка не должна превышать 400°C. После кристаллизации жидкого расплава в кристаллизаторе и тигле, а затем остывания горячего металла с достижением температуры на его наружных поверхностях менее 400°C, вакуумная камера печи раскрывается для выгрузки гарнисажа и слитка. Поэтому охлаждение расплава в печи является весьма продолжительным процессом и является негативным фактором, существенно ограничивающим производительность печи.However, to prevent intense saturation of the surface of the ingot and the skull with oxygen and nitrogen contained in the atmosphere, the surface temperature of the ingot discharged from the furnace should not exceed 400 ° C. After crystallization of the molten melt in the mold and the crucible, and then cooling of the hot metal with reaching a temperature on its outer surfaces of less than 400 ° C, the vacuum chamber of the furnace is opened to unload the skull and the ingot. Therefore, the cooling of the melt in the furnace is a very lengthy process and is a negative factor that significantly limits the productivity of the furnace.

Известна вакуумная дуговая гарнисажная печь, содержащая вакуумную водоохлаждаемую камеру, электрододержатель, расходуемый электрод-гарнисаж, кристаллизатор, водоохлаждаемый тигель с закладным стержнем и закладной задней стенкой с контрольными термопарами (патент РФ №2194780, публ. 20.12.2002). В известной печи процесс теплоотдачи от нагретых поверхностей металла к стенкам вакуумной камеры печи несколько интенсифицируют подачей в вакуумную камеру инертного газа давлением в несколько мм.рт.ст. Более высокая концентрация инертного газа приводит к конвективным тепловым потокам большой мощности, передающим тепловой поток к таким элементам печи, как вакуумные уплотнения, средства телеметрии и выходу их из строя. Кроме того, конвективный способ охлаждения приводит к значительному температурному градиенту несущих элементов вакуумной камеры и ее деформациям.A known vacuum arc skull furnace containing a vacuum water-cooled chamber, an electrode holder, a consumable electrode-skull, a mold, a water-cooled crucible with a embedded rod and embedded back wall with control thermocouples (RF patent No. 2194780, publ. 12.20.2002). In a known furnace, the process of heat transfer from heated metal surfaces to the walls of the vacuum chamber of the furnace is somewhat intensified by supplying an inert gas to the vacuum chamber with a pressure of several mmHg. A higher concentration of inert gas leads to convective heat fluxes of high power, transmitting the heat flux to such furnace elements as vacuum seals, telemetry means and their failure. In addition, the convective cooling method leads to a significant temperature gradient of the supporting elements of the vacuum chamber and its deformations.

Дополнительным фактором, затрудняющим охлаждение, является тот фактор, что слиток и гарнисаж после кристаллизации дают «усадку» и отходят от вертикальных поверхностей кристаллизатора и тигля, прекращая теплоотдачу к стенкам путем теплопроводности в зоне плотного теплового контакта. Таким образом, охлаждение слитка и гарнисажа в печи происходит, главным образом, путем лучистого теплообмена и занимает длительное время в технологическом цикле.An additional factor that impedes cooling is the fact that the ingot and the skull after crystallization “shrink” and move away from the vertical surfaces of the mold and crucible, stopping heat transfer to the walls by heat conduction in the zone of dense thermal contact. Thus, the cooling of the ingot and the skull in the furnace occurs mainly by radiant heat transfer and takes a long time in the technological cycle.

По имеющимся данным работы известной печи, технологический процесс получения слитка длится около 18 часов, из которых технологические операции, задействующие плавильное оборудование: источник питания, вакуумную и гидросистему, т.е. вакуумирование, плавка и слив металла в кристаллизатор составляют не более 5 часов. Время охлаждения гарнисажа и слитка внутри печи составляет до 7-9 часов, остальное время отводится на операции загрузки-разгрузки, чистки и пр.According to the data of the well-known furnace, the technological process for producing an ingot lasts about 18 hours, of which technological operations involving melting equipment: a power source, a vacuum and a hydraulic system, i.e. evacuation, melting and discharge of metal into the mold is not more than 5 hours. The cooling time of the skull and the ingot inside the furnace is up to 7-9 hours, the rest of the time is devoted to loading and unloading, cleaning, etc.

Существенным недостатком указанного способа является необходимость длительного времени остывания слитка и гарнисажа в вакуумном объеме печи, что ведет к неэффективному использованию плавильного оборудования.A significant drawback of this method is the need for a long cooling time of the ingot and skull in the vacuum volume of the furnace, which leads to inefficient use of melting equipment.

Известен вакуумный дуговой гарнисажный агрегат для выплавки высокореакционных металлов и сплавов, содержащий стационарный модуль, включающий стационарную камеру с системой вакуумирования, электрододержатель с вакуумным уплотнением, источник тока, расходуемый электрод-гарнисаж, и четыре подвижных модуля, состоящих из вакуумной камеры, вакуум-плотной шиберной задвижки, водоохлаждаемого тигля и кристаллизатора, характеризующийся тем, что он дополнительно оборудован отдельно расположенными стационарными техническими участками: участок остывания гарнисажа и слитка, участок для разборки подвижного модуля, участок сборки подвижного модуля, при этом стационарный модуль оснащен механизмом вертикального подъема и стыковки подвижного модуля и последовательно соединен со стационарными технологическими участками наземными путями, размещенными по замкнутой траектории, по которым осуществляется шаговое перемещение подвижных модулей, которые дополнительно снабжены механизмом наклона тигля, механизмом поворота шиберной задвижки и системой подачи гелия (Патент РФ №2394925, публ. 27.02.2010) - прототип.Known vacuum arc skull unit for smelting highly reactive metals and alloys, containing a stationary module including a stationary chamber with a vacuum system, an electrode holder with a vacuum seal, a current source, a consumable electrode-skull, and four movable modules consisting of a vacuum chamber, a vacuum tight gate valves, water-cooled crucible and mold, characterized in that it is additionally equipped with separately located stationary technical sections: ok cooling of the skull and the ingot, the section for disassembling the movable module, the assembly section of the movable module, while the stationary module is equipped with a mechanism for vertical lifting and docking of the movable module and is connected in series with stationary technological sections by ground paths placed along a closed path along which step moving modules that are additionally equipped with a crucible tilt mechanism, a slide gate rotation mechanism and a helium feed system (RF Patent No. 2394925, p off 02/27/2010) - a prototype.

Недостатком известного устройства является последовательное расположение подвижных модулей на наземных путях конвейерного типа, что приводит к простоям агрегата и невозможности продолжения непрерывной работы при неисправности или ремонтах, по крайней мере, одного подвижного модуля или наземных путей.A disadvantage of the known device is the sequential arrangement of movable modules on conveyor-type ground tracks, which leads to unit downtime and the inability to continue continuous operation in the event of malfunction or repairs of at least one movable module or ground tracks.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности использования плавильного оборудования при сохранении качества выплавляемых слитков.The problem to which the invention is directed, is to increase the efficiency of the use of melting equipment while maintaining the quality of the smelted ingots.

Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются повышение удобства эксплуатации и обслуживания оборудования, а также автономности взаимозаменяемых передвижных модулей при одновременном параллельном выполнении технологических операций или осуществлении ремонта.The technical results achieved by the implementation of the invention are to increase the convenience of operation and maintenance of equipment, as well as the autonomy of interchangeable mobile modules while simultaneously performing technological operations or performing repairs.

Указанный технический результат достигается тем, что в металлургическом комплексе для вакуумной дуговой гарнисажной плавки, содержащем вакуумную водоохлаждаемую камеру, электрододержатель, расходуемый электрод-гарнисаж, вакуумпровод, средства управления и наблюдения за дугой и сливом металла, водоохлаждаемый тигель и кристаллизатор, согласно полезной модели электрододержатель, вакуумпровод, средства управления и наблюдения за дугой и сливом металла, размещены в вакуумной камере, смонтированной в стационарном центральном блоке, к которому для осуществления плавки попеременно поворотно-стыковочным механизмом пристыковывается один из идентичных подвижных плавильных модулей, перемещаемых по наземным путям из технологических порталов, расположенных концентрично по отношению к стационарному центральному блоку и содержащих механизмы перемещения подвижных модулей, при этом подвижный плавильный модуль включает вакуумную камеру, снабженную шиберной вакуумной заслонкой с механизмом поворота и размещенными внутри камеры плавильным тиглем с механизмом наклона и кристаллизатором, а остальные подвижные плавильные модули расположены в технологических порталах с возможностью проведения в них технологических операций, причем охлаждение элементов плавильных модулей осуществляется посредством системы гибких трубопроводов от насосной станции.The specified technical result is achieved by the fact that in the metallurgical complex for a vacuum arc skull melting containing a vacuum water-cooled chamber, an electrode holder, a consumable electrode-skull, a vacuum pipe, control and monitoring of the arc and discharge of metal, a water-cooled crucible and crystallizer, according to the utility model, the electrode holder, vacuum pipe, controls and monitoring the arc and discharge of metal are placed in a vacuum chamber mounted in a stationary central unit, to in order to carry out melting, one of the identical movable melting modules docked along ground tracks from technological portals arranged concentrically with respect to the stationary central unit and containing mechanisms for moving the movable modules is alternately rotated by the rotary-docking mechanism, while the movable melting module includes a vacuum chamber equipped with sliding vacuum shutter with a rotation mechanism and a melting crucible with a tilt mechanism and a chris placed inside the chamber by the tallyizer, and the remaining movable melting modules are located in technological portals with the possibility of carrying out technological operations in them, moreover, the cooling of the elements of the melting modules is carried out by means of a flexible piping system from the pump station.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами.The essence of the proposed utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведена блок-схема металлургического комплекса. На фиг. 2а представлен вид по А-А - стационарный центральный блок перед стыковкой подвижного плавильного модуля, на виде 2б изображен центральный блок в сборе в процессе плавки, на виде 2в плавильный блок показан во время слива расплава в кристаллизатор, на виде 2г отображен плавильный блок после отстыковки передвижного плавильного модуля и закрытия шиберной заслонки.In FIG. 1 shows a block diagram of a metallurgical complex. In FIG. 2a shows a view along A-A - stationary central unit before the docking of the movable melting module, 2b shows the central unit assembly during the melting process, 2b shows the melting unit during the melt discharge into the crystallizer, and 2g shows the melting unit after undocking mobile melting module and closing the slide gate.

Металлургический комплекс состоит из стационарного центрального блока 1, к которому для проведения плавки поочередно передвигаются и пристыковываются подвижные плавильные модули 2, перемещаемые по наземным путям 3 из технологических порталов 4. Охлаждение элементов плавильных модулей осуществляется посредством системы гибких трубопроводов 5 от насосной станции (не показана). Центральный стационарный блок содержит вакуумную камеру 6 с электрододержателем 7, вакуумпровод 8, средства управления и наблюдения за дугой и сливом металла (не показаны). Подвижные плавильные модули содержат вакуумную камеру 9, снабженную шиберной вакуумной заслонкой 10 с механизмом поворота, с размещенными внутри камеры плавильным тиглем 11 с механизмом наклона и кристаллизатором 12. Стыковка центрального стационарного плавильного блока с подвижными плавильными модулями осуществляется поворотно-стыковочным механизмом 13.The metallurgical complex consists of a stationary central unit 1, to which, for melting, movable melting modules 2 are moved and docked, moving along ground tracks 3 from technological portals 4. The elements of the melting modules are cooled by means of a flexible pipe system 5 from a pump station (not shown) . The central stationary unit comprises a vacuum chamber 6 with an electrode holder 7, a vacuum pipe 8, control and monitoring tools for the arc and discharge of metal (not shown). The movable melting modules contain a vacuum chamber 9, equipped with a slide gate valve 10 with a rotation mechanism, with a melting crucible 11 with a tilt mechanism and a mold placed inside the chamber 12. The central stationary melting unit with movable melting modules is docked by a rotary-docking mechanism 13.

Металлургический комплекс работает следующим образом.The metallurgical complex operates as follows.

Комплекс содержит один центральный стационарный модуль и несколько периферийных подвижных плавильных модулей, которые размещаются в технологических порталах, при этом, по крайней мере, один технологический портал, центральный или периферийный, постоянно остается свободным. На электрододержатель верхнего стационарного плавильного модуля устанавливается гарнисаж-расходуемый электрод, полученный от предыдущей плавки. Подготовленный к работе подвижный плавильный модуль с установленными внутри тиглем и кристаллизатором и открытой вакуумной шиберной заслонкой перемещается из технологического портала в центральный стационарный блок и поворотно-стыковочным механизмом стыкуется по вакуумному уплотнению. Производится вакуумирование смонтированного блока. Между расходуемым электродом и шихтой, уложенной в тигель, разжигается электрическая дуга и производится сплавление электрода и шихты до образования необходимого объема жидкой ванны расплава в тигле. Производится наклон тигля и слив расплава в кристаллизатор. Далее тигель поднимается в исходное положение и производится доплавление расходуемого электрода в тигель. Электрододержатель с огарком расходуемого электрода поднимается в верхнее положение, после чего производится закрытие шиберной заслонки плавильного модуля внутри вакуумного объема вакуумной плавильной камеры. Внутрь плавильного модуля подается инертный газ для интенсификации остывания гарнисажа и слитка. Со стороны вакуумпровода производится контроль герметичности шиберной заслонки. Подвижный плавильный модуль отстыковывается от стационарного блока посредством поворотно-стыковочного механизма и перемещается по наземным путям в произвольный свободный технологический портал для охлаждения полученного слитка и последующих технологических операций. С электрододержателя центрального стационарного блока демонтируется огарок расходуемого электрода, устанавливается новый расходуемый электрод, и в плавильный блок из любого технологического портала перемещается подготовленный к работе подвижный модуль для следующей плавки. Концентрическое расположение технологических порталов позволяет в каждом из них параллельно производить технологические операции (охлаждение, сборка, разборка комплекта инструмента, подготовка модулей и т.д.) независимо от местоположения портала и этапа технологического процесса, т.е. на каждом технологическом портале появляется возможность осуществлять любую технологическую операцию на любой стадии процесса. Количество подвижных модулей, а соответственно технологических порталов и наземных путей, в зависимости от совокупности операций технологического процесса может быть изменено, в настоящий момент оптимальным соотношением подвижных модулей к стационарному центральному блоку является соотношение 4:1, однако в предлагаемый комплекс возможно введение дополнительных технологических порталов или подвижных модулей для выполнения в них не только технологических, но и ремонтно-профилактических операций. Это позволяет при обслуживании технологических порталов, подвижный модулей и наземных путей осуществлять ремонтно-профилактические мероприятия, не останавливая технологический процесс.The complex contains one central stationary module and several peripheral movable melting modules that are located in technological portals, while at least one technological portal, central or peripheral, remains constantly free. A skull-consumable electrode obtained from the previous heat is installed on the electrode holder of the upper stationary melting module. A mobile melting module, prepared for operation, with a crucible and a crystallizer installed inside and an open vacuum shutter gate moves from the technological portal to the central stationary unit and is joined by a vacuum seal using a rotary-docking mechanism. The evacuation of the mounted unit is performed. Between a consumable electrode and a charge laid in a crucible, an electric arc is ignited and the electrode and charge are fused to form the required volume of a molten molten bath in the crucible. The crucible is tilted and the melt is drained into the mold. Next, the crucible rises to its original position and the consumable electrode is melted into the crucible. The electrode holder with the end of the consumable electrode rises to the upper position, after which the slide gate of the melting module is closed inside the vacuum volume of the vacuum melting chamber. An inert gas is supplied inside the melting module to intensify the cooling of the skull and the ingot. From the side of the vacuum pipe, the tightness of the slide gate is checked. The movable melting module is undocked from the stationary unit by means of a rotary-docking mechanism and moves along ground paths to an arbitrary free technological portal for cooling the obtained ingot and subsequent technological operations. From the electrode holder of the central stationary unit, the end of the consumable electrode is dismantled, a new consumable electrode is installed, and the movable module prepared for operation moves to the melting unit for the next melting. The concentric arrangement of the technological portals allows each of them to simultaneously carry out technological operations (cooling, assembly, disassembly of the tool kit, preparation of modules, etc.) regardless of the location of the portal and the stage of the technological process, i.e. on each technological portal, it becomes possible to carry out any technological operation at any stage of the process. The number of movable modules, and, accordingly, technological portals and ground tracks, depending on the totality of the process operations, can be changed; at the moment, the optimal ratio of movable modules to the stationary central unit is 4: 1, however, the proposed complex can introduce additional technological portals or mobile modules for performing in them not only technological, but also repair and preventive operations. This allows for the maintenance of technological portals, mobile modules and ground tracks to carry out repair and preventive measures without stopping the process.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить удобство эксплуатации оборудования и автономность взаимозаменяемых подвижных модулей при одновременном параллельном выполнении основных и вспомогательных технологических операций, осуществлять организационно-технические мероприятия при пуске, наладке, эксплуатации и профилактическом ремонте комплекса без остановки производственного процесса, что, соответственно, увеличивает его производительность.Thus, the proposed utility model allows to increase the convenience of equipment operation and the autonomy of interchangeable mobile modules while simultaneously performing basic and auxiliary technological operations, to carry out organizational and technical measures during the start-up, commissioning, operation and preventive maintenance of the complex without stopping the production process, which, accordingly, increases its productivity.

Claims

Metallurgical complex for vacuum arc skull melting, comprising a vacuum water-cooled chamber, an electrode holder, a consumable electrode skull, a vacuum pipe, control and monitoring of an arc and a metal drain, a water-cooled melting crucible and a mold, characterized in that the electrode holder, vacuum pipe, control and monitoring tools behind the arc and the metal drain are placed in the aforementioned water-cooled vacuum chamber mounted in a stationary central unit, which for The smelting unit is capable of alternately docking to it by means of a rotary-docking mechanism of one of the identical movable melting modules, which can be moved along ground paths from technological portals located concentrically with respect to the stationary central unit, while one of the movable melting modules contains a vacuum chamber with a vacuum gate valve and a rotation mechanism and the said melting crucible with a tilt mechanism and a crystal placed inside it by the heater, and the remaining movable melting modules are made with the possibility of carrying out the main and auxiliary technological operations in them, while the melting modules are made with the possibility of cooling by means of a flexible piping system from the pump station.