RU2283355C2

RU2283355C2 - Vacuum electric-arc lining-slag furnace

Info

Publication number: RU2283355C2
Application number: RU2004124635/02A
Authority: RU
Inventors: Петр Семенович Альтман (RU); Петр Семенович Альтман; Марк Иванович Мусатов (RU); Марк Иванович Мусатов; Виктор Сергеевич Фомичев (RU); Виктор Сергеевич Фомичев; Константин Алексеевич Гончаров (RU); Константин Алексеевич Гончаров; Игорь Юрьевич Пузаков (RU); Игорь Юрьевич Пузаков
Original assignee: ОАО "Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение" (ВСМПО)
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2006-09-10
Also published as: RU2004124635A

Abstract

FIELD: special electric metallurgy, namely vacuum electric arc lining slag furnaces, possibly for melting ingots of refractory and highly reactive metals and alloys, mainly titanium alloys.

SUBSTANCE: furnace includes vacuum water cooled chamber, electrode holder, consumable electrode-lining slag, water cooled crucible and detachable mold having lateral cylindrical sleeve, stool and suspension assembly. Lateral surface of mold is formed of two detachable plates with inner sealed water-cooled ducts mutually communicated successively and through pipelines and fittings they are communicated with outer water circulation system. Funnel is mounted in upper end of mold; said funnel has rods secured to it and it is made of material similar to melt alloy. Lower end portions of said rods have turnings and they are arranged lower than upper end of molded ingot. Invention allows to decrease by two and more times total mass of ingot-mold system and to make mold with complex three-dimensional shape of working surface in general equipment.

EFFECT: reduced thermal loads, improved strength of mold, enhanced ability of mold to repairing.

6 dwg, 1 ex

Description

Предлагаемое изобретение относится к области специальной электрометаллургии, в частности к вакуумным дуговым гарнисажным печам, и может быть использовано для выплавки слитков тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов, преимущественно титановых.The present invention relates to the field of special electrometallurgy, in particular to vacuum arc skull furnaces, and can be used for smelting ingots of refractory and highly reactive metals and alloys, mainly titanium.

В отличии от печей ВДП (вакуумного дугового переплава), гарнисажная печь не требует другой печи или пресса для получения расходуемого электрода, поскольку новый электрод наряду со слитком получается в каждом плавильном цикле. В отличие от большинства электронно-лучевых печей в гарнисажной печи можно плавить сплавы со сравнительно летучими элементами (например, алюминием, хромом), а в отличии от плазменных дуговых - не требует использования большого количества нейтрального газа и позволяет удалить водород.Unlike VDP (vacuum arc remelting) furnaces, the skull furnace does not require another furnace or press to obtain a consumable electrode, since a new electrode, along with an ingot, is produced in each melting cycle. Unlike most electron-beam furnaces, in a skull furnace, alloys with relatively volatile elements (for example, aluminum, chromium) can be melted, and unlike plasma arc furnaces, it does not require the use of a large amount of neutral gas and allows hydrogen to be removed.

Известна вакуумная дуговая гарнисажная печь ДТВГ - 4ПФ (патент РФ №2194780, МПК С 22 В 22/21) - прототип.Гарнисажная плавильная печь состоит из вакуумной камеры, в которой находится тигель специальной формы. Вертикально перемещающийся электрододержатель проходит в крышку камеры через систему уплотнений. Расходуемый гарнисаж-электрод крепится к электрододержателю, а титановые отходы (и при необходимости титановая губка и/или легирующие) загружаются в тигель.Known vacuum arc skull furnace DTVG - 4PF (RF patent No. 2194780, IPC C 22 V 22/21) is a prototype. The skull melting furnace consists of a vacuum chamber in which there is a crucible of a special shape. A vertically moving electrode holder passes into the chamber lid through a sealing system. A consumable skull electrode is attached to the electrode holder, and titanium waste (and, if necessary, a titanium sponge and / or alloy) are loaded into the crucible.

В качестве источника нагрева используется вакуумный электродуговой разряд большой мощности (вакуумная электрическая дуга). При подаче напряжения постоянного тока к электрододержателю и тиглю можно зажечь дугу между нижним концом расходуемого электрода и материалом, находящимся в тигле.A high power vacuum electric arc discharge (vacuum electric arc) is used as a heating source. When applying a DC voltage to the electrode holder and the crucible, you can light an arc between the lower end of the consumable electrode and the material in the crucible.

Когда весь электрод полностью оплавлен, электрододержатель быстро поднимают, а расплав сливают в кристаллизатор, размещенный в вакуумной камере. Остатки расплавленного металла затвердевают в тигле, образуя новый расходуемый гарнисаж-электрод.When the entire electrode is completely melted, the electrode holder is quickly lifted, and the melt is poured into a mold placed in a vacuum chamber. The remnants of molten metal solidify in a crucible, forming a new consumable skull-electrode.

Кристаллизатор печи представляет сборную конструкцию в форме стакана, состоящую из боковой цилиндрической втулки, снизу закрытую поддоном, а верхняя часть втулки соединена с подвеской, с помощью которой производят его загрузку и выгрузку. В работе на каждой печи используются два кристаллизатора: один - в печи на плавке, второй охлаждается на стенде.The furnace mold represents a prefabricated design in the form of a glass, consisting of a lateral cylindrical sleeve, bottom covered with a pallet, and the upper part of the sleeve is connected to the suspension, with the help of which it is loaded and unloaded. In the work on each furnace, two crystallizers are used: one - in the furnace for melting, the second is cooled on a stand.

После затвердевания раствора кристаллизатор вместе со слитком извлекают из печи и устанавливают на стенд, где они окончательно остывают. Масса кристаллизатора и сливаемого титана рассчитывается таким образом, чтобы выравнивание температуры в слитке и кристаллизаторе наступило при 600°С, в противном случае превышение данной температуры может создавать условия для интенсивного насыщения слитка кислородом, приводящего к его браку. Согласно полученных расчетов это достигается при соотношении массы слитого титана к массе кристаллизатора 1:7.After the solution has hardened, the mold and the ingot are removed from the furnace and installed on a stand, where they finally cool. The mass of the crystallizer and the titanium to be drained is calculated so that the temperature in the ingot and the crystallizer becomes equal at 600 ° С; otherwise, exceeding this temperature can create conditions for the oxygen to become saturated with oxygen, leading to its marriage. According to the calculations, this is achieved when the ratio of the mass of fused titanium to the mass of the mold 1: 7.

Недостатком известного изобретения является то, что вес технической системы слиток-кристаллизатор становится фактором, ограничивающим технологические возможности всей печи в целом.A disadvantage of the known invention is that the weight of the technical system of the ingot-mold becomes a factor limiting the technological capabilities of the whole furnace.

Например: печь ДТВГ-4ПФИ1 проектировалась под выплавку цилиндрических слитков массой до 5 т, которые формируются в неохлаждаемом кристаллизаторе (масса слитка равна 5 тоннам, масса кристаллизатора 5×7=35 т, набор кристаллизатор + слиток + подвеска 35+5+2=42 т). Грузоподъемность крана, обслуживающего печь, равна 50 тонн. В этом случае возможный максимальный вес выплавляемого слитка не может превысить 50 т (масса кристаллизатора + слитка + подвеска 42+6+2=50 т). Кроме того, возникают потребности перейти на выплавку плоского пригодного к прокатке литого сляба, что приведет к неравномерному охлаждению системы слиток-кристаллизатор и, как следствие этого, потребуется увеличить массу кристаллизатора. Целью предлагаемого изобретения является:For example: the DTVG-4PFI1 furnace was designed for the smelting of cylindrical ingots weighing up to 5 tons, which are formed in an uncooled mold (the mass of the ingot is 5 tons, the mass of the mold is 5 × 7 = 35 tons, the mold + ingot + suspension 35 + 5 + 2 = 42 t). The capacity of the crane serving the furnace is 50 tons. In this case, the maximum possible weight of the smelted ingot cannot exceed 50 tons (mass of the mold + ingot + suspension 42 + 6 + 2 = 50 tons). In addition, there is a need to switch to the smelting of a flat, suitable for rolling cast slab, which will lead to uneven cooling of the ingot-mold system and, as a result, it will be necessary to increase the mass of the mold. The aim of the invention is:

- снижение общей массы системы слиток-кристаллизатор в 2 и более раз;- reduction in the total mass of the ingot-mold system by 2 or more times;

- повышение технологических возможностей печи за счет выплавки слитков с большей массой и различными геометрическими сечениями.- increasing the technological capabilities of the furnace due to the smelting of ingots with a larger mass and various geometric sections.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения,является:The technical result achieved by the invention is:

- интенсификация процесса охлаждения слитка в кристаллизаторе;- intensification of the cooling process of the ingot in the mold;

- увеличение стойкости кристаллизатора;- increase the resistance of the mold;

- обеспечение технологичности конструкции изготовления кристаллизатора;- ensuring the manufacturability of the mold manufacturing structure;

- повышение техники безопасности и удобства работ в процессе эксплуатации.- improving safety and ease of operation during operation.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной вакуумной дуговой гарнисажной печи, содержащей вакуумную водоохлаждаемую камеру, электрододержатель, расходуемый электрод-гарнисаж, водоохлаждаемый тигель и разборный кристаллизатор, состоящий из боковой цилиндрической втулки, поддона и подвески, боковая поверхность кристаллизатора выполнена из двух разъемных плит с внутренними герметическими водоохлаждаемыми каналами, которые последовательно соединены между собой и посредством трубопроводов и арматуры подключены к системе внешнего водооборота, при этом на верхний торец кристаллизатора установлена воронка с закрепленными на ней стержнями, выполненными из материала, аналогичного выплавляемому сплаву, причем нижние концы стержней выполнены с проточками и расположены ниже верхнего торца формируемого слитка.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known vacuum arc skull furnace containing a vacuum water-cooled chamber, an electrode holder, a consumable electrode-skull, a water-cooled crucible and a collapsible mold, consisting of a side cylindrical sleeve, a tray and a suspension, the side surface of the mold is made of two split plates with internal hermetic water-cooled channels, which are connected in series with each other and by means of pipes rovodov and valve system connected to an external water circulation, wherein at the upper end of the mold is set with a funnel fixed thereto rods made of material similar to smelt the alloy, the lower ends of the rods are made with recesses and positioned below the upper end of the ingot formed.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 изображена вакуумная дуговая гарнисажная печь в разрезе вдоль оси тигля, совпадающей с направлением разливки металла. На фиг.2 показан кристаллизатор с каналами охлаждения, подвеской и элементами крепления плит и поддона между собой. На фиг.3 - кристаллизатор в поперечном разрезе. На фиг.4 - фрагмент плиты кристаллизатора с ребром жесткости между двух параллельных каналов охлаждения.Figure 1 shows a vacuum arc skull furnace in a section along the axis of the crucible, coinciding with the direction of casting of metal. Figure 2 shows the mold with cooling channels, suspension and fastening elements of the plates and the pallet among themselves. In Fig.3 - crystallizer in cross section. Figure 4 is a fragment of a mold plate with a stiffener between two parallel cooling channels.

Вакуумная гарнисажная печь состоит из вакуумной водоохлаждаемой камеры 1, электрододержателя 2 с механизмом перемещения (не показан), механизма крепления электрода-гарнисажа 3, водоохлаждаемого тигля 4 и кристаллизатора 5 с поддоном 6.The vacuum skull furnace consists of a vacuum water-cooled chamber 1, an electrode holder 2 with a moving mechanism (not shown), a mounting mechanism for the skull-skull electrode 3, a water-cooled crucible 4 and a mold 5 with a pan 6.

Работа печи осуществляется следующим образом. В тигель 4 укладывается шихта, а на электрододержатель 2 навешивается электрод-гарнисаж 3, полученный в процессе предыдущей плавки. В камеру печи помещается кристаллизатор 5 с поддоном 6, с помощью быстроразъемных соединений 7 и 8 кристаллизатор 5 соединяется с нагнетающей и сливной трубами системы водооборота.The operation of the furnace is as follows. The charge is placed in the crucible 4, and the electrode-skull 3, obtained in the previous melting process, is hung on the electrode holder 2. A mold 5 with a pan 6 is placed in the furnace chamber, using quick disconnect connections 7 and 8, the mold 5 is connected to the discharge and drain pipes of the water circulation system.

На плавку открывается вентиль 9 кристаллизатора 5 (начинает охлаждаться водой с момента слива расплавленного металла) в течение охлаждения слитка и электрода-гарнисажа в вакууме или среде гелия, до момента разгрузки печи после плавки. Далее начинается выгрузка полученного в тигле электрода-гарнисажа 3.Valve 9 of mold 5 opens for melting (it begins to cool with water from the moment the molten metal is drained) during cooling of the ingot and skull electrode in a vacuum or helium medium, until the furnace is unloaded after melting. Next, the discharge of the skull-electrode 3 obtained in the crucible begins.

Одновременно с заполнением печи воздухом перекрывается вентиль 9, прекращая подачу воды в кристаллизатор, а открытый вентиль 10 позволяет слить воду и выпустить пар из каналов кристаллизатора 5.Simultaneously with filling the furnace with air, the valve 9 closes, stopping the flow of water into the mold, and the open valve 10 allows you to drain the water and let off steam from the channels of the mold 5.

В таком состоянии быстроразъемные соединения 7 и 8 отсоединяются, а кристаллизатор 5 с поддоном и выплавленным слитком выгружаются из печи на стенд сборки и разборки.In this state, the quick couplers 7 and 8 are disconnected, and the mold 5 with the tray and the molten ingot is discharged from the furnace to the assembly and disassembly stand.

На фиг.2 показан кристаллизатор на момент выгрузки и установки на стенд сборки и разборки кристаллизатора. Транспортировка кристаллизатора осуществляется краном с помощью подвески 11 и стропового устройства (на чертеже не показан).Figure 2 shows the mold at the time of unloading and installation on the stand assembly and disassembly of the mold. The crystallizer is transported by a crane using a suspension 11 and a sling device (not shown in the drawing).

На стенд кристаллизатор устанавливается вертикально, снимается подвеска 11, а кристаллизатор кантуется в горизонтальное положение. Разбираются клиновые прижимы 12, убирается поддон 6 и снимается плита 13, с плиты 14 снимается выплавленный слиток (на чертеже не показан). Производится контроль состояния плит и обратная сборка кристаллизатора на плавку.The mold is mounted vertically on the stand, the suspension 11 is removed, and the mold is tilted to a horizontal position. The wedge clamps 12 are disassembled, the pallet 6 is removed and the plate 13 is removed, the melted ingot is removed from the plate 14 (not shown in the drawing). The condition of the plates and the reassembly of the mold for melting are carried out.

На фиг.3 и 4 показаны конструктивные элементы кристаллизатора, с помощью которых происходит охлаждение и обеспечивается необходимая эксплуатационная надежность в работе.Figure 3 and 4 shows the structural elements of the mold, with the help of which cooling occurs and provides the necessary operational reliability.

Конструкция канала охлаждения 15 длинной стороной воспринимает тепловой поток от боковой поверхности слитка, а направление каналов 16 способствует отводу тепла от длинных сторон выплавленного слитка, формирующегося в полости 17.The design of the cooling channel 15 with the long side receives heat flux from the side surface of the ingot, and the direction of the channels 16 contributes to heat removal from the long sides of the molten ingot forming in the cavity 17.

На фиг.4 показан тепловой поток от тела слитка и линии равных температур нагрева плиты. Металл плиты между двумя каналами выполняет роль продольного ребра жесткости 18, компенсатор 19 тепловых расширений снижает напряжения в теле плиты в поперечном направлении, что уменьшает остаточные деформации и сохраняет геометрические параметры плиты.Figure 4 shows the heat flux from the body of the ingot and the line of equal temperatures of the heating plate. The plate metal between the two channels acts as a longitudinal stiffener 18, the expansion joint compensator 19 reduces stresses in the body of the plate in the transverse direction, which reduces residual deformation and preserves the geometric parameters of the plate.

На фиг.5 показан кристаллизатор с залитым в него слитком, в тело которого вморожены стержни, слиток после охлаждения и усадки висит с их помощью на сливной воронке.Figure 5 shows a crystallizer with an ingot poured into it, into whose body the rods are frozen, the ingot hangs on the drain funnel after cooling and shrinkage.

На фиг.6 кристаллизатор выдвинут в зону выгрузки сливной воронки с подвешенным на ней слитком.In Fig.6, the mold is advanced to the discharge area of the drain funnel with an ingot suspended on it.

Использование вмороженных стержней позволяет производить выгрузку полученного слитка непосредственно из кристаллизатора, который из печи не извлекается.The use of frozen rods allows you to unload the resulting ingot directly from the mold, which is not removed from the furnace.

Работа печи в данном случае производиться следующим способом: на кристаллизатор 5 устанавливается воронка 20 со стержнями 21 и кристаллизатор передвигается в зону слива металла.The operation of the furnace in this case is carried out in the following way: a funnel 20 with rods 21 is installed on the mold 5 and the mold moves to the metal discharge zone.

Тигель 4 и кристаллизатор 5 постоянно находятся подключенными к водообороту и манипулировать вентилями и быстроразъемными соединениями нет необходимости. Далее печь закрывается и вакуумируется, после проведения плавки и охлаждения печь заполняется воздухом и производится разгрузка.The crucible 4 and the mold 5 are constantly connected to the water circuit and there is no need to manipulate the valves and quick disconnects. Next, the furnace is closed and evacuated, after melting and cooling, the furnace is filled with air and unloading is performed.

Кристаллизатор с помощью подвески 11 устанавливается в зону выгрузки воронки с выплавленным слитком. Затем краном за воронку слиток извлекается из кристаллизатора и транспортируется на разгрузочную площадку, где воронка отсоединяется. Извлечение слитка гарантируется литьевыми уклонами и температурной деформацией слитка.The mold using the suspension 11 is installed in the discharge zone of the funnel with the molten ingot. Then, the ingot is removed by the crane for the funnel from the mold and transported to the discharge site, where the funnel is disconnected. Extraction of the ingot is guaranteed by casting slopes and thermal deformation of the ingot.

В случае аварийной выгрузки слитка, застрявшего в кристаллизаторе, необходимо перекрыть вентили водооборота, отсоединить быстроразъемные соединения и выгрузить из печи кристаллизатор в сборе со слитком, воронкой, поддоном и подвеской, разборка кристаллизатора производится на стенде.In case of emergency unloading of the ingot stuck in the mold, it is necessary to close the water circulation valves, disconnect the quick-disconnect connections and unload the mold assembly with the ingot, funnel, tray and suspension from the furnace, the mold is disassembled at the stand.

Пример конкретного выполнения конструкции без вмораживания стержней. Изготовлен водоохлаждаемый разборный кристаллизатор для выплавки плоского слитка массой 6 т. Инструмент выполнен из малоуглеродистой стали Ст3, масса кристаллизатора 17,54 т. С наружной стороны боковых плит были выфрезерованы пазы, в которых сформированы охлаждающие каналы. Плотность расположения ветвей канала на единицу площади, расстояние охлаждаемой поверхности от рабочей поверхности, геометрическая форма сечения канала и скорость потока воды определены численным методом конечных элементов. Достоверность данной методики расчетов подтверждается совпадением расчетных значений температур и выполненными опытными плавками. Расчетная стойкость инструмента ~ 500 плавок. Температура на поверхности слитка после его извлечения не превышала 280°С. Масса системы слиток-кристаллизатор составила около 25,5 т.An example of a specific design without freezing the rods. A water-cooled collapsible mold was made for melting a flat ingot weighing 6 tons. The tool is made of mild steel St3, the mold mass is 17.54 tons. Grooves were formed on the outside of the side plates, in which cooling channels were formed. The density of the channel branches per unit area, the distance of the cooled surface from the working surface, the geometric shape of the channel cross section and the water flow rate are determined by the finite element numerical method. The reliability of this calculation procedure is confirmed by the coincidence of the calculated temperature values and the experimental melts performed. Estimated tool life ~ 500 heats. The temperature on the surface of the ingot after its extraction did not exceed 280 ° C. The mass of the ingot-crystallizer system was about 25.5 tons.

Предлагаемая конструкция позволяет изготовлять плавильный инструмент (кристаллизатор) массой в два и более раз меньше массы прототипа, со сложной объемной формой рабочей поверхности на стандартном оборудовании, снизить тепловые нагрузки, повысить его стойкость, ремонтопригодность и удобства в работе. Использовать в рабочем процессе один кристаллизатор вместо двух.The proposed design allows the manufacture of a melting tool (mold) weighing two or more times less than the mass of the prototype, with a complex three-dimensional shape of the working surface on standard equipment, to reduce thermal loads, increase its durability, maintainability and ease of use. Use one mold instead of two in your workflow.

Claims

A vacuum arc skull furnace containing a vacuum water-cooled chamber, an electrode holder, a consumable electrode-skull, a water-cooled crucible and a collapsible mold, consisting of a side cylindrical sleeve, a pallet and a suspension, characterized in that the side surface of the mold is made of two detachable plates with internal hermetic water-cooled channels that are connected in series with each other and through pipelines and fittings are connected to an external water circulation system, while erhny end of the mold is set with a funnel fixed thereto rods made of material similar to smelt the alloy, the lower ends of the rods are made with recesses and positioned below the upper end of the ingot formed.