RU2346221C1 - Method of vacuum-plasma melting of metals and alloys in skull furnace and facility for its implementation - Google Patents

Method of vacuum-plasma melting of metals and alloys in skull furnace and facility for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2346221C1
RU2346221C1 RU2007133556/02A RU2007133556A RU2346221C1 RU 2346221 C1 RU2346221 C1 RU 2346221C1 RU 2007133556/02 A RU2007133556/02 A RU 2007133556/02A RU 2007133556 A RU2007133556 A RU 2007133556A RU 2346221 C1 RU2346221 C1 RU 2346221C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
melt
arc
crucible
vacuum
electromagnets
Prior art date
Application number
RU2007133556/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Викторович Агеев (RU)
Сергей Викторович Агеев
Юрий Петрович Москвичев (RU)
Юрий Петрович Москвичев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СФЕРАМЕТ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "СФЕРАМЕТ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СФЕРАМЕТ"
Priority to RU2007133556/02A priority Critical patent/RU2346221C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2346221C1 publication Critical patent/RU2346221C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention concerns metallurgy field and can be used for manufacturing of chemically active and complex-alloyed metals and alloys for instance, such as titanium, zirconium, niobium, tantalum, chrome and alloys on its basis. In the method arc discharge is created in vacuum plasmatron with formation of vacuum plasma arc and effecting on it and metal melt by magnetic fields of two groups of electromagnets, top and bottom. Top group of electromagnets is provided for creating of oncoming to each other of basic and additional magnetic fields, providing regulation of vacuum plasma arc, forming, declining and moving it, and bottom group of electromagnets - for mixing of melt in horizontal and vertical planes. At that forming of vacuum plasma arc is implemented by means of extraction by basic magnetic field of arc column from interelectrode gap with formation of loop between plasmatron and molten pool by means of additional magnetic field. During melting process it is implemented induction values correction of basic and additional magnetic fields.
EFFECT: refining of melted metal and alloy by means of faithful reproduction of defined chemical composition and structure of received alloys at increasing of efficiency and productivity of facility.
23 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для производства химически активных и сложнолегированных металлов и сплавов, например, таких как титан, цирконий, ниобий, тантал, хром и др. и сплавов на их основе.The invention relates to the field of metallurgy and can be used for the production of chemically active and complex alloyed metals and alloys, for example, such as titanium, zirconium, niobium, tantalum, chromium, etc. and alloys based on them.

Особенностью плавки химически активных металлов и сплавов является их повышенное сродство к кислороду. Поэтому плавка таких металлов ведется в вакууме.A feature of the melting of chemically active metals and alloys is their increased affinity for oxygen. Therefore, the smelting of such metals is carried out in vacuum.

Химически активные металлы и сплавы активно вступают во взаимодействие с кислородом. Следствием этого является невозможным плавка таких металлов и сплавов в керамических тиглях и в вакуумных индукционных печах, так как не удается подобрать материал тигля, который не взаимодействовал бы с расплавленным металлом: при плавке в графитовом тигле металл загрязняется углеродом, а в керамическом тигле из тугоплавких окислов - кислородом. В том и другом случае обнаруживается снижение пластичности металла.Reactive metals and alloys actively interact with oxygen. The consequence of this is that it is impossible to melt such metals and alloys in ceramic crucibles and in vacuum induction furnaces, since it is not possible to select crucible material that would not interact with the molten metal: when melted in a graphite crucible, the metal is contaminated with carbon, and in a ceramic crucible from refractory oxides - oxygen. In both cases, a decrease in the ductility of the metal is detected.

Известны способы плавки химически активных металлов и сплавов в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом в медном кристаллизаторе (см. патент RU №2294973, С22В 9/21). Данное изобретение относится к способам вакуумной дуговой плавки высокореакционных металлов, в частности титана, и реализуется в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом и водоохлаждаемым кристаллизатором. В этих печах дуга горит между расходуемым электродом и жидким металлом в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Основная опасность при вакуумно-дуговой плавке - прожигание стенки кристаллизатора электрической дугой, проникновение воды в печное пространство и ее взаимодействие с жидким или раскаленным металлом с созданием взрывоопасной ситуации.Known methods for melting reactive metals and alloys in vacuum arc furnaces with a consumable electrode in a copper mold (see patent RU No. 2294973, C22B 9/21). This invention relates to methods for vacuum arc melting of highly reactive metals, in particular titanium, and is implemented in vacuum arc furnaces with a consumable electrode and a water-cooled crystallizer. In these furnaces, an arc burns between the consumable electrode and the liquid metal in the upper part of the ingot throughout the entire heat. The main danger in vacuum-arc melting is burning the crystallizer wall with an electric arc, water penetrating into the furnace space and its interaction with liquid or hot metal with the creation of an explosive situation.

Для нормальной работы в таких печах необходимо строго соблюдать разработанные на предприятиях правила техники безопасности на всех стадиях технологического процесса, в том числе при установке электрода и его приварке к огарку (см. В.А.Громата. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1968 г., стр.482-484).For normal operation in such furnaces, it is necessary to strictly observe the safety rules developed at enterprises at all stages of the technological process, including when installing the electrode and welding it to the cinder (see V. A. Gromata. Titanium metallurgy. M: Metallurgy, 1968 city, p. 482-484).

При вакуумно-дуговой плавке расходуемого электрода исключается возможность загрязнения металла материалом электрода и плавильной емкости. Однако требуется создание и поддержание масштабного производства, в состав которого входит громоздкое и энергоемкое прессовое оборудование для изготовления из шихтовых материалов электродов большой длины.In a vacuum-arc melting of a consumable electrode, the possibility of metal contamination by the electrode material and the melting capacity is excluded. However, the creation and maintenance of large-scale production, which includes cumbersome and energy-intensive press equipment for the manufacture of long electrode electrodes from charge materials, is required.

Для получения равномерных по химическому составу сложнолегированных сплавов используют технологии двух, трех и более кратного переплава таких материалов в кристаллизаторах с увеличивающимся диаметром, что трудоемко и дорого. К недостаткам такого способа относится и то, что металлы и сплавы могут быть получены только цилиндрической формы.To obtain uniformly complex chemical alloyed alloys, technologies of two, three or more multiple remelting of such materials are used in crystallizers with an increasing diameter, which is laborious and expensive. The disadvantages of this method include the fact that metals and alloys can only be obtained in a cylindrical shape.

В вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом и с поворотным тиглем возможна разливка расплава в изложницы, в том числе, сложной формы. В патенте RU №2239757, F27B 14/04 представлена вакуумная дуговая плавильно-заливочная установка, предназначенная для получения отливок из тугоплавких и химически активных металлов.In vacuum arc furnaces with a consumable electrode and with a rotary crucible, molten casting into molds is possible, including of a complex shape. In patent RU No. 2239757, F27B 14/04, a vacuum arc melting and casting installation is presented, intended for the production of castings from refractory and chemically active metals.

Получила развитие и технология производства отливок с применением расходуемого электрода в вакуумно-дуговых гарнисажных печах (Неуструев А.А., Ходоровский Г.Л. Вакуумные гарнисажные печи. М.: Металлургия, 1967), основанная на наплавлении ванны жидкого металла в медном охлаждаемом тигле и периодической разливке расплава в формы. В гарнисажной печи часть расплавляемого металла затвердевает на внутренней поверхности стенки охлаждаемого тигля, образуя так называемый гарнисаж - толстую корку твердого металла. Гарнисаж устраняет непосредственный контакт жидкого металла с материалом тигля, исключает их взаимодействие и загрязнение выплавляемого сплава материалом тигля.The technology for the production of castings using a consumable electrode in vacuum-arc skull furnaces has also been developed (Neustruev A.A., Khodorovsky GL Vacuum skull furnaces. M .: Metallurgy, 1967), based on the deposition of a molten metal bath in a copper cooled crucible and periodically casting the melt into molds. In the skull furnace, part of the molten metal solidifies on the inner surface of the wall of the cooled crucible, forming the so-called skull, a thick crust of solid metal. The skull eliminates the direct contact of liquid metal with the crucible material, eliminates their interaction and contamination of the melted alloy by the crucible material.

Недостатками существующих вакуумно-дуговых гарнисажных печей с расходуемым электродом являются:The disadvantages of existing vacuum arc skull furnaces with a consumable electrode are:

- необходимость приготовления расходуемого электрода нужного химического состава, что требует дополнительного производства и, следовательно, дополнительных материальных затрат;- the need to prepare a consumable electrode of the desired chemical composition, which requires additional production and, therefore, additional material costs;

- ограниченные возможности подшихтовки сложнолегированных сплавов в связи с повышенной взрывоопасностью;- limited possibilities for trimming complex alloys due to increased explosion hazard;

- затрудненное приготовление многокомпонентных сплавов с большой разницей температур плавления исходных металлов из-за эффекта опережающего плавления, который очень трудно преодолеть, так как в гарнисажном тигле обогрев жидкой ванны происходит за счет энергии дуги, горящей между расходуемым электродом (анодом) и ванной с металлом (катодом). При этом время пребывания расплава в гарнисажном тигле, после окончания плавления до слива металла, минимально из-за быстрого охлаждения расплава.- the difficult preparation of multicomponent alloys with a large difference in the melting temperatures of the starting metals due to the effect of the advanced melting, which is very difficult to overcome, since in the skull crucible the heating of the liquid bath occurs due to the arc energy burning between the consumable electrode (anode) and the metal bath ( cathode). In this case, the residence time of the melt in the skull crucible, after melting to the end of the metal, is minimized due to the rapid cooling of the melt.

Для устранения этих недостатков при сохранении всех преимуществ вакуумно-дуговой гарнисажной плавки перспективно вместо расходуемого электрода использовать независимые источники нагрева. Применение независимых источников нагрева в вакуумно-дуговой гарнисажной печи позволяет отказаться от сложного производства расходуемого электрода и загружать в тигель кусковую шихту.To eliminate these drawbacks while maintaining all the advantages of vacuum arc skull molding, it is promising to use independent heat sources instead of a consumable electrode. The use of independent sources of heating in a vacuum arc skull furnace allows you to abandon the complex production of a consumable electrode and load a lump charge into the crucible.

Поэтому для более эффективного получения химически активных и сложнолегированных сплавов в вакуумно-дуговых гарнисажных печах был предложен способ плавки металлов нерасходуемым электродом. В этом случае в гарнисажный тигель загружают кусковую шихту, а ее плавление осуществляют за счет создания электрического разряда между нерасходуемым электродом и шихтой, являющейся анодом. Такой способ позволяет усреднить химический состав в жидкой ванне гарнисажного тигля и полностью завершить все физико-химические процессы за счет увеличения времени пребывания расплава в жидком состоянии. Однако он не может обеспечить точное воспроизведение заданного химического состава и структуры получаемых сплавов из-за загрязнения получаемых сплавов материалом нерасходуемого электрода.Therefore, to more efficiently obtain chemically active and complex alloyed alloys in vacuum arc skull furnaces, a method for melting metals with a non-consumable electrode was proposed. In this case, a lump charge is loaded into the skull crucible, and its melting is carried out by creating an electric discharge between the non-consumable electrode and the charge, which is the anode. This method allows you to average the chemical composition in the liquid bath of the skull plate and complete all the physicochemical processes by increasing the residence time of the melt in the liquid state. However, it cannot provide accurate reproduction of a given chemical composition and structure of the resulting alloys due to contamination of the resulting alloys with a non-consumable electrode material.

Источником загрязнения металла при использовании в качестве нерасходуемого электрода, например, вакуумного плазмотрона является электрод плазмотрона, так называемый полый горячий катод, изготовленный из термоэмиссионного материала и выполненный в виде трубок различной формы или прутков из вольфрама или тантала. При использовании в качестве источника тепла вертикально установленного над тиглем плазмотрона (см., например, патент RU №2184160, МПК С22В 9/20) происходит загрязнение расплава материалом катода (вольфрамом) в результате его забрызгивания расплавом и эрозии. При попадании вольфрама в сплав происходит образование дефектов в готовых изделиях. Следует также отметить, что вертикально установленный над тиглем плазмотрон препятствует повороту тигля и затрудняет возможность слива металла с регулируемой скоростью.The source of metal contamination when using, for example, a vacuum plasma torch as a non-consumable electrode, is a plasma torch electrode, the so-called hollow hot cathode, made of thermionic material and made in the form of tubes of various shapes or rods of tungsten or tantalum. When using a plasma torch vertically mounted above the crucible as a heat source (see, for example, patent RU No. 2184160, IPC С22В 9/20), the melt is contaminated with cathode material (tungsten) as a result of its splashing with the melt and erosion. When tungsten enters the alloy, defects are formed in the finished products. It should also be noted that a plasmatron vertically mounted above the crucible prevents the crucible from turning and makes it difficult to drain the metal at an adjustable speed.

Наиболее близким из известных к заявляемому способу вакуумно-дуговой плавки металлов и сплавов в гарнисажной печи и устройству для его реализации по своей сущности и достигаемому результату является патент RU №2239757, МПК С22В 9/21, F27B 14/04.The closest known to the claimed method of vacuum-arc melting of metals and alloys in a skull furnace and a device for its implementation in its essence and the achieved result is patent RU No. 2239757, IPC С22В 9/21, F27B 14/04.

Согласно известному способу вакуумно-дуговой плавки металлов и сплавов в гарнисажной печи осуществляют загрузку металла в водоохлаждаемый тигель в виде шихты, создание вакуума в камере печи, расплавление шихты в условиях вакуума с помощью дугового разряда, при этом дуга в печи горит на расплавляемый металл, шихту, являющуюся анодом, и разливку полученного расплава в изложницы.According to the known method of vacuum-arc melting of metals and alloys in a skull furnace, the metal is loaded into a water-cooled crucible in the form of a charge, a vacuum is created in the furnace chamber, the charge is melted in a vacuum using an arc discharge, while the arc in the furnace burns to the molten metal, charge , which is the anode, and casting the obtained melt into the molds.

Известная вакуумно-дуговая гарнисажная печь (патент RU №2239757) содержит вакуумную камеру, в которой размещены плавильная емкость, представляющая собой водоохлаждаемый металлический тигель, имеющий верхнюю кромку и днище, катододержатель с катодом и расположенную под днищем тигля, по крайней мере одну, изложницу для слива металла.Known vacuum arc skull furnace (patent RU No. 2239757) contains a vacuum chamber in which a melting tank is placed, which is a water-cooled metal crucible having an upper edge and a bottom, a cathode holder with a cathode and located under the crucible bottom, at least one mold for plum metal.

Недостатком известного способа является отсутствие возможности точного воспроизведения заданного химического состава и структуры получаемых сплавов, особенно сложнолегированных, из-за загрязнения получаемых сплавов материалом катода и отсутствия условий для организации равномерного плавления в тигле исходных металлов.The disadvantage of this method is the inability to accurately reproduce a given chemical composition and structure of the resulting alloys, especially complex alloyed, due to contamination of the resulting alloys with the cathode material and the lack of conditions for organizing uniform melting in the crucible of the starting metals.

Другим недостатком способа плавки металлов в вакууме нерасходуемым электродом является рассредоточение дугового разряда и возникновение паразитных дуг. Это приводит к местному перегреву шихты, т.е. к снижению качества получаемых сплавов, а также к неэффективному расходу электроэнергии.Another disadvantage of the method of melting metals in a vacuum by a non-consumable electrode is the dispersion of the arc discharge and the occurrence of spurious arcs. This leads to local overheating of the charge, i.e. to reduce the quality of the resulting alloys, as well as to inefficient energy consumption.

В процессе плавки из-за оседания шихты и выплескивания жидкого металла в верхней части гарнисажа и тигля образуются наросты (козырьки, карманы, настыли). Образование наростов, в конечном счете, приводит к снижению качества получаемого сплава, так как из-за ухудшения перемешивания расплава в тигле затрудняется ход процесса плавки и снижается возможность получения сплава заданного химического состава. Кроме того, уменьшается производительность процесса из-за снижения массы сливаемого металла.In the process of melting due to settling of the charge and splashing out of liquid metal in the upper part of the skull and crucible, growths are formed (peaks, pockets, nastily). The formation of growths ultimately leads to a decrease in the quality of the resulting alloy, since due to the deterioration of melt mixing in the crucible, the melting process is hindered and the possibility of obtaining an alloy of a given chemical composition is reduced. In addition, the productivity of the process is reduced due to a decrease in the mass of the metal being drained.

Основным недостатком известной вакуумно-дуговой гарнисажной печи является центральное расположение нерасходуемого электрода, приводящее к загрязнению получаемого сплава нежелательными примесями из элементов, входящих в состав материала катода. Катод выполняется, как правило, из вольфрама или из легированного вольфрама. В процессе плавки происходит разрушение материала катода. При размещении непосредственно над шихтой катод забрызгивается расплавленным металлом, и на его поверхности происходит образование хрупких сплавов с низкими эмиссионными свойствами. Частицы этого сплава, содержащие вольфрам, осыпаются и попадают в расплав. Катод теряет свои эмиссионные свойства и начинает оплавляться, подобно расходуемому электроду. В результате попадания вольфрама в сплав происходит образование дефектов в готовых изделиях.The main disadvantage of the known vacuum arc skull furnace is the central location of the non-consumable electrode, leading to contamination of the alloy with undesirable impurities from the elements that make up the cathode material. The cathode is usually made of tungsten or alloyed tungsten. In the melting process, the destruction of the cathode material occurs. When placed directly above the charge, the cathode is sprayed with molten metal, and brittle alloys with low emission properties are formed on its surface. Particles of this alloy containing tungsten crumble and fall into the melt. The cathode loses its emission properties and begins to melt, like a consumable electrode. As a result of tungsten entering the alloy, defects are formed in the finished products.

Задачей изобретений является повышение качества выплавляемого металла и сплава за счет точного воспроизведения заданного химического состава и структуры получаемых сплавов при повышении экономичности и производительности устройства.The objective of the invention is to improve the quality of the melted metal and alloy due to the exact reproduction of a given chemical composition and structure of the resulting alloys while increasing the efficiency and productivity of the device.

Поставленная задача в части первого объекта решается за счет того, что в способе вакуумно-дуговой плавки химически активных металлов и сплавов на их основе в гарнисажной печи, включающем загрузку шихты в водоохлаждаемый гарнисажный тигель, создание вакуума в камере печи, расплавление шихты в условиях вакуума с помощью дугового разряда и слив полученного расплава в изложницы, отличающемся тем, что дуговой разряд создают в вакуумном плазмотроне с образованием вакуумной плазменной дуги и воздействуют на нее и расплав металла магнитными полями от двух групп электромагнитов, верхних и нижних, при этом верхняя группа электромагнитов предназначена для создания встречных друг другу основного и дополнительного магнитных полей, обеспечивающих управление вакуумной плазменной дугой, формируя, отклоняя и перемещая ее, а нижняя группа электромагнитов - для перемешивания расплава в горизонтальной и вертикальной плоскостях таким образом, что при перемешивании расплава в вертикальной плоскости на поверхности зеркала расплава формируют выпуклость, а при перемешивании расплава в горизонтальной плоскости создают вытягивания основным магнитным полем столба дуги из межэлектродного промежутка с образованием петли между плазмотроном и ванной жидкого металла с помощью дополнительного магнитного поля, перемещение дуги при перемешивании расплава осуществляют в горизонтальной плоскости навстречу движению расплава, а при перемешивании расплава в вертикальной плоскости - в места образования выпуклостей, причем в процессе плавки осуществляют корректировку величин индукций основного и дополнительного магнитных полей, а перед сливом полученного расплава в изложницы его выдерживают в гарнисажном тигле 0,05-0,5 часа.The problem in part of the first object is solved due to the fact that in the method of vacuum arc melting of chemically active metals and alloys based on them in a skull furnace, which includes loading the charge into a water-cooled skull plate, creating a vacuum in the furnace chamber, melting the charge in vacuum with using an arc discharge and discharge of the obtained melt into molds, characterized in that the arc discharge is created in a vacuum plasmatron with the formation of a vacuum plasma arc and the metal melt is affected by magnetic l from two groups of electromagnets, upper and lower, while the upper group of electromagnets is designed to create opposing main and additional magnetic fields that control the vacuum plasma arc, forming, deflecting and moving it, and the lower group of electromagnets to mix the melt in horizontal and vertical planes in such a way that when the melt is mixed in a vertical plane, a convexity is formed on the surface of the melt mirror, and when the melt is mixed in th The horizontal plane is created by pulling the main magnetic field of the arc column from the interelectrode gap with the formation of a loop between the plasma torch and the molten metal bath using an additional magnetic field. Moving the arc while mixing the melt is carried out in the horizontal plane towards the movement of the melt, and when mixing the melt in the vertical plane, to places the formation of bulges, and in the process of smelting, the values of the induction of the main and additional magnetic fields are adjusted, and before draining the obtained melt into the molds it is kept in a skull crucible for 0.05-0.5 hours.

При этом величину индукции магнитного поля электромагнитов, обеспечивающих перемешивание расплава в вертикальной плоскости, могут увеличивать до момента появления на поверхности зеркала расплава выпуклости, преимущественно сферической формы.In this case, the magnitude of the magnetic field induction of the electromagnets, providing melt mixing in the vertical plane, can increase until a bulge, mainly spherical, appears on the surface of the melt mirror.

А величину индукции основного магнитного поля, пропорциональную силе тока дуги, могут корректировать по расходу плазмообразующего газа в ручном режиме.And the magnitude of the main magnetic field induction, proportional to the strength of the arc current, can be adjusted according to the flow rate of the plasma-forming gas in manual mode.

Кроме этого величину индукции основного магнитного поля, пропорциональную силе тока дуги, могут корректировать по расходу плазмообразующего газа в автоматическом режиме.In addition, the magnitude of the induction of the main magnetic field, proportional to the strength of the arc current, can be adjusted according to the flow rate of the plasma-forming gas in automatic mode.

При этом при повышении расхода плазмообразующего газа от 0,1 м3/час до 10 м3/час величину индукции основного магнитного поля могут увеличивать на 10-30%, а при снижении расхода плазмообразующего газа от 0,1 м3/час до 0,05 м3/час величину индукции основного магнитного поля могут уменьшать на 20-40%.Moreover, with an increase in the consumption of plasma-forming gas from 0.1 m 3 / h to 10 m 3 / h, the magnitude of the induction of the main magnetic field can increase by 10-30%, and with a decrease in the consumption of plasma-forming gas from 0.1 m 3 / h to 0 , 05 m 3 / hour, the magnitude of the induction of the main magnetic field can be reduced by 20-40%.

Кроме того, величину индукции дополнительного магнитного поля, пропорциональную напряжению дуги, могут корректировать по давлению в камере печи в ручном режиме.In addition, the magnitude of the additional magnetic field induction, proportional to the arc voltage, can be corrected for the pressure in the furnace chamber in manual mode.

Также величину индукции дополнительного магнитного поля, пропорциональную напряжению дуги, могут корректировать по давлению в камере печи в автоматическом режиме.Also, the magnitude of the induction of the additional magnetic field, proportional to the arc voltage, can be corrected for the pressure in the furnace chamber in automatic mode.

При этом при повышении давления в камере печи от 10-1 мм рт.ст. до 10 мм рт.ст. величину индукции дополнительного магнитного поля могут увеличивать на 10-30%, а при снижении давления в камере печи от 10-1 мм рт.ст. до 10-3 мм рт.ст. величину индукции дополнительного магнитного поля могут уменьшать на 30-60%.Moreover, with increasing pressure in the furnace chamber from 10 -1 mm Hg up to 10 mmHg the magnitude of the induction of an additional magnetic field can increase by 10-30%, and with a decrease in pressure in the furnace chamber from 10 -1 mm Hg up to 10 -3 mm Hg the magnitude of the induction of an additional magnetic field can be reduced by 30-60%.

При этом в процессе плавки осуществляют контролируемое регулирование силы тока дуги, расхода плазмообразующего газа, давления в печи, длины дуги и величин индукций магнитных полей.At the same time, in the melting process, controlled control of the arc current, plasma-forming gas flow rate, furnace pressure, arc length and magnetic field induction values is carried out.

При загрузке шихты в тигель сначала загружают тугоплавкие компоненты сплава, а его легкоплавкие составляющие подают в тигель в конце плавки.When loading the mixture into the crucible, first the refractory components of the alloy are loaded, and its low-melting components are fed into the crucible at the end of the melting.

Кроме того, в камере печи перед началом плавки могут создавать вакуум 10-3-10-4 мм рт.ст., а в процессе плавки могут изменять вакуум от 10-3 до 1 мм рт.ст.In addition, in the furnace chamber before the start of smelting, a vacuum of 10 -3 -10 -4 mm Hg can be created, and during the smelting process they can change the vacuum from 10 -3 to 1 mm Hg.

Кроме этого перед сливом расплава из тигля могут обеспечивать отклонение вакуумной плазменной дуги в место образования нароста на гарнисаже для его удаления.In addition, before draining the melt from the crucible, they can provide a deflection of the vacuum plasma arc to the place of formation of the growth on the skull to remove it.

Поставленная задача в части второго объекта решается за счет того, что в устройстве для вакуумно-дуговой плавки химически активных металлов и сплавов на их основе в гарнисажной печи, содержащем вакуумную камеру гарнисажной печи, в которой размещены плавильная емкость в виде водоохлаждаемого гарнисажного тигля, расположенную под тиглем, по крайней мере, одну изложницу и расположенный над тиглем катододержатель с катодом, отличающемся тем, что катод выполнен в виде вакуумного плазмотрона для превращения плазмообразующего газа в плазму в условиях вакуума с образованием вакуумной плазменной дуги, при этом вакуумный плазмотрон установлен под углом относительно вертикальной оси тигля и расположен на периферии тигля вне зеркала расплава, а печь дополнительно содержит системы электромагнитного управления вакуумной плазменной дугой и перемешиванием расплава, представляющие собой две группы электромагнитов, верхнюю и нижнюю, при этом верхняя группа электромагнитов предназначена для вытягивания дуги из межэлектродного промежутка, формирования ее в виде петли и перемещения из одного сектора тигля в другой, и встречно направленные магнитные поля, а нижняя группа электромагнитов предназначена для управления электромагнитным перемешиванием расплава в горизонтальной и вертикальной плоскостях, расположена ниже отметки максимально допустимого уровня расплава в тигле и содержит магниты, создающие тангенциально направленные магнитные поля.The problem in part of the second object is solved due to the fact that in a device for vacuum-arc melting of chemically active metals and alloys based on them in a skull furnace containing a vacuum chamber of the skull furnace, in which there is a melting tank in the form of a water-cooled skull skull, located under crucible, at least one mold and a cathode holder located above the crucible with a cathode, characterized in that the cathode is made in the form of a vacuum plasmatron for converting a plasma forming gas into a plasma in vacuum conditions with the formation of a vacuum plasma arc, while the vacuum plasmatron is installed at an angle relative to the vertical axis of the crucible and is located on the periphery of the crucible outside the melt mirror, and the furnace additionally contains electromagnetic control systems for the vacuum plasma arc and melt mixing, which are two groups of electromagnets, the upper and the lower, while the upper group of electromagnets is designed to pull the arc from the interelectrode gap, forming it in the form of a loop and moving crucible from one sector to another and oppositely directed magnetic fields, and the lower group of electromagnets is designed to control the electromagnetic stirring of the melt in the horizontal and vertical planes, situated below the maximum permissible level of the melt in the crucible and contains magnets that create magnetic fields directed tangentially.

Полый катод может быть изготовлен из тугоплавкого термоэмиссионного материала, например вольфрама. А катододержатель выполнен медным и водоохлаждаемым и имеет осевое отверстие для подачи плазмообразующего газа, например аргона.The hollow cathode may be made of a refractory thermionic material, such as tungsten. And the cathode holder is made of copper and water-cooled and has an axial hole for supplying a plasma-forming gas, such as argon.

Кроме того, вакуумная камера печи может содержать патрубок откачки газа, присоединяемый к вакуумным насосам.In addition, the vacuum chamber of the furnace may include a gas pumping port connected to vacuum pumps.

Электродуговой плазмотрон и тигель могут быть подключены к источнику постоянного тока с помощью гибких токоподводов.The arc plasma torch and crucible can be connected to a constant current source using flexible current leads.

Кроме этого отметка максимально допустимого уровня расплава в плавильной емкости может быть расположена, по крайней мере, на 50-100 мм ниже верхней кромки тигля.In addition, the mark of the maximum permissible level of the melt in the melting tank can be located at least 50-100 mm below the upper edge of the crucible.

При этом часть электромагнитов нижней группы, обеспечивающих управление электромагнитным перемешиванием расплава в горизонтальной плоскости, может быть выполнена в виде соленоидов, представляющих собой охватывающие тигель обмотки, расположенные в охлаждаемой зоне тигля.In this case, part of the lower group electromagnets providing control of the electromagnetic mixing of the melt in the horizontal plane can be made in the form of solenoids, which are windings covering the crucible located in the cooled zone of the crucible.

Кроме этого обмотки верхней и нижней групп электромагнитов подсоединены к источнику питания с помощью гибкого токоподвода и связаны между собой через переключатель, обеспечивающий их согласованную и попеременную работу в автоматическом режиме.In addition, the windings of the upper and lower groups of electromagnets are connected to the power source using a flexible current supply and are interconnected via a switch, ensuring their coordinated and alternating operation in automatic mode.

Кроме этого водоохлаждаемый тигель выполнен из меди.In addition, the water-cooled crucible is made of copper.

Тигель также может быть выполнен с возможностью перемещения и содержать сливной носок.The crucible can also be made with the ability to move and contain a drain sock.

При этом тигель может быть выполнен поворотным относительно линии горизонта.In this case, the crucible can be made rotatable relative to the horizon.

Изложницы также могут быть выполнены с возможностью перемещения.Molds can also be made with the possibility of movement.

При этом изложницы могут быть установлены на вращающемся литейном столе.In this case, the molds can be installed on a rotating casting table.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью существенных признаков, состоит:The technical result provided by the above set of essential features consists of:

- в исключении возможности попадания продуктов материала катода в расплав и загрязнения этим материалом получаемого расплава;- in eliminating the possibility of the products of the cathode material getting into the melt and contamination of the resulting melt with this material;

- в обеспечении интенсивного плавления шихты в тигле без местных перегревов шихты за счет организации равномерного плавления в тигле исходных металлов при отклонении дуги и сканировании ее по поверхности шихты;- to ensure intensive melting of the charge in the crucible without local overheating of the charge due to the organization of uniform melting in the crucible of the starting metals during arc deflection and scanning it along the surface of the charge;

- в повышении однородности состава получаемого сплава благодаря повышению эффективности перемешивания расплава за счет турбулизации потоков жидкого металла;- to increase the uniformity of the composition of the obtained alloy due to the increase in the efficiency of melt mixing due to turbulization of the liquid metal flows;

- в увеличении объема жидкого металла в тигле за счет размывания периферийных слоев металла, прилегающих к стенкам тигля, и уменьшении толщины гарнисажного слоя;- in increasing the volume of liquid metal in the crucible due to the erosion of the peripheral layers of metal adjacent to the walls of the crucible, and reducing the thickness of the skull layer;

- в снижении вероятности выплескивания жидкого металла из тигля и образования наростов за счет уменьшения волны жидкого металла, набегающей на стенку тигля, благодаря направлению дополнительного магнитного поля встречно основному, что ведет к увеличению массы сливаемого расплава;- to reduce the likelihood of liquid metal splashing out of the crucible and the formation of growths due to a decrease in the liquid metal wave incident on the crucible wall, due to the direction of the additional magnetic field, it is opposite to the main one, which leads to an increase in the mass of the melt being drained;

- в автоматизации процесса плавления для оказания необходимого управляющего воздействия на поддержание технологического процесса в заданных пределах;- in automating the melting process to provide the necessary control action to maintain the process within specified limits;

- в увеличении времени пребывания расплава в тигле до момента его слива, что позволяет повысить усреднение химического состава получаемого сплава в объеме тигля;- to increase the residence time of the melt in the crucible until it is discharged, which allows to increase the averaging of the chemical composition of the resulting alloy in the volume of the crucible;

- в более быстром, с регулируемой необходимой скоростью, и удобном розливе расплава в изложницы, что позволяет достичь необходимой температуры для слива и получить требуемую структуру металла;- in a faster, with an adjustable required speed, and convenient pouring of the melt into the molds, which allows to achieve the required temperature for discharge and to obtain the required metal structure;

- в удалении образовавшихся наростов на стенках тигля, появления которых не удалось избежать.- in the removal of the formed growths on the walls of the crucible, the appearance of which could not be avoided.

Кроме этого вакуумно-дуговые гарнисажные печи, оснащенные вакуумным плазмотроном, то есть вакуумно-плазменные печи, обеспечивают возможность использования нейтральной, окислительной или восстановительной атмосферы, а также плавное регулирование мощности нагрева и давления в камере печи. Эти преимущества являются чрезвычайно важными при переплаве металлических отходов или многокомпонентной кусковой шихты металлов, обладающих различными физическими и технологическими свойствами.In addition, vacuum-arc skull furnaces equipped with a vacuum plasmatron, that is, vacuum-plasma furnaces, provide the possibility of using a neutral, oxidizing or reducing atmosphere, as well as smooth control of the heating power and pressure in the furnace chamber. These advantages are extremely important for the remelting of metal waste or a multicomponent lump metal charge having various physical and technological properties.

Сущность предложенного способа вакуумно-дуговой плавки металлов и сплавов в гарнисажной печи заключается в следующем.The essence of the proposed method of vacuum-arc melting of metals and alloys in a skull furnace is as follows.

В медный водоохлаждаемый тигель загружают основную часть кусковой шихты. При загрузке шихты в тигель сначала загружают тугоплавкие компоненты сплава, а его легкоплавкие составляющие с высокой упругостью пара, например, такие как алюминий, подают в тигель в конце плавки. Печь герметизируют и перед началом плавки в камере печи создают вакуум 10-3-10-4 мм рт.ст. В процессе плавки вакуум поддерживают 10-3-1 мм рт.ст.The main part of the bulk charge is loaded into a water-cooled copper crucible. When loading the mixture into the crucible, first the refractory components of the alloy are loaded, and its low-melting components with high vapor pressure, for example, such as aluminum, are fed into the crucible at the end of the melting. The furnace is sealed and before starting melting in a chamber of the furnace create a vacuum of 10 -3 -10 -4 mm RT.article During the melting process, the vacuum is maintained at 10 −3 −1 mm Hg.

Для создания дугового разряда используют вакуумный плазмотрон, в котором в условиях вакуума плазмообразующий газ превращается в плазму, и с помощью образовавшейся вакуумной плазменной дуги осуществляют плавку металла. В процессе плавки металла дуга горит на шихту, являющуюся анодом. Катод плазмотрона выполнен полым, и через него обеспечивают подачу газа в печь. В качестве плазмообразующего газа используют инертный газ, например аргон. Это обеспечивает необходимые условия для выплавки химически активных, а также многокомпонентных и сложнолегированных сплавов.To create an arc discharge, a vacuum plasmatron is used, in which the plasma-forming gas is converted into plasma under vacuum conditions, and the metal is melted using the resulting vacuum plasma arc. In the process of melting metal, the arc burns onto the charge, which is the anode. The plasma torch cathode is hollow, and gas is supplied through it to the furnace. An inert gas, for example argon, is used as the plasma-forming gas. This provides the necessary conditions for the smelting of chemically active, as well as multicomponent and complex alloys.

При этом вакуумную плазменную дугу создают за пределами зеркала расплава и воздействуют на дугу и расплав магнитными полями от двух групп электромагнитов. Это исключает возможность загрязнения расплава материалом катода и обеспечивает отсутствие в получаемом сплаве нежелательных примесей. Система электромагнитов при этом обеспечивает управление плазменной дугой и эффективное перемешивание расплава для интенсивного плавления шихты в тигле без местных перегревов, а также уменьшение возникновения рассредоточения дугового разряда и появления паразитных дуг.In this case, a vacuum plasma arc is created outside the limits of the melt mirror and act on the arc and melt by magnetic fields from two groups of electromagnets. This eliminates the possibility of contamination of the melt with the cathode material and ensures the absence of undesirable impurities in the resulting alloy. In this case, the system of electromagnets provides control of the plasma arc and efficient mixing of the melt for intensive melting of the charge in the crucible without local overheating, as well as reducing the occurrence of dispersion of the arc discharge and the appearance of spurious arcs.

В процессе работы печи одна группа электромагнитов, создавая встречные друг другу основное и дополнительное магнитные поля, обеспечивает управление вакуумной плазменной дугой, формируя, отклоняя и перемещая ее по поверхности шихты. При этом основное и дополнительное магнитные поля направлены поперечно вакуумной плазменной дуге и оказывают на нее силовое воздействие для отклонения и направления дуги в зону плавления. Другая группа электромагнитов обеспечивает перемешивание расплава, осуществляя перемешивание расплава в горизонтальной и вертикальной плоскостях.During the operation of the furnace, one group of electromagnets, creating the primary and secondary magnetic fields that are in opposition to each other, provides control of the vacuum plasma arc, forming, deflecting and moving it along the surface of the charge. In this case, the main and additional magnetic fields are directed transversely to the vacuum plasma arc and exert a force on it to deflect and direct the arc into the melting zone. Another group of electromagnets provides melt mixing by mixing the melt in horizontal and vertical planes.

В результате этого при перемешивании расплава в вертикальной плоскости на поверхности зеркала расплава формируют выпуклость. Существование выпуклости сигнализирует о том, что возникли мощные вертикально направленные потоки (струи) жидкого металла. При этом величину индукции магнитного поля электромагнитов, обеспечивающих управление перемешиванием расплава в вертикальной плоскости, увеличивают до момента появления на поверхности зеркала расплава выпуклости, преимущественно, сферической формы.As a result of this, when the melt is stirred in a vertical plane, a bulge is formed on the surface of the melt mirror. The existence of a bulge signals that there are powerful vertically directed flows (jets) of liquid metal. In this case, the magnitude of the magnetic field induction of the electromagnets, providing control of the melt mixing in the vertical plane, is increased until a convex, mainly spherical, shape appears on the surface of the melt mirror.

При перемешивании расплава в горизонтальной плоскости создают вращение жидкого металла относительно вертикальной оси тигля.When mixing the melt in a horizontal plane, the rotation of the liquid metal relative to the vertical axis of the crucible is created.

Перемешивание расплава как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях увеличивает интенсивность перемешивания и обеспечивает увеличение объема жидкого металла в тигле за счет размывания периферийных слоев металла и уменьшения толщины гарнисажа в тигле, что позволяет увеличить массу сливаемого из тигля расплава.Mixing the melt in both horizontal and vertical planes increases the intensity of mixing and provides an increase in the volume of liquid metal in the crucible due to the erosion of the peripheral layers of the metal and a decrease in the thickness of the skull in the crucible, which makes it possible to increase the mass of the melt drained from the crucible.

В процессе создания вакуумной плазменной дуги столб дуги вытягивают основным магнитным полем из межэлектродного промежутка для обеспечения горения дуги на расплавляемый металл (шихту). С помощью дополнительного магнитного поля осуществляют формирование дуги в виде петли, верхний конец которой привязан к плазмотрону, а нижний - к ванне жидкого металла, что исключает возможность горения дуги на стенку тигля. В зоне привязки плазменной дуги к металлу образуется так называемое «анодное пятно». Вытягивание столба плазменной дуги из межэлектродного промежутка с помощью поперечного дуге основного магнитного поля, индукция которого пропорциональна силе тока дуги, и создание ее в форме петли (так называемой "петлевой дуги") с помощью дополнительного магнитного поля, индукция которого пропорциональна напряжению дуги, обеспечивает возможность формирования "анодного пятна" дуги в центральной части ванны жидкого металла и позволяет уменьшить действие собственного магнитного поля дуги на расплав, которое приводит к образованию волны жидкого металла. Встречные направления основного и дополнительного магнитных полей при этом снижают волну жидкого металла, набегающую на стенку тигля, и уменьшают вероятность выплескивания жидкого металла из тигля, а также снижают образование наростов, возникающих в результате наката жидкого металла на боковую поверхность гарнисажа.In the process of creating a vacuum plasma arc, the arc column is pulled by the main magnetic field from the interelectrode gap to ensure arc burning on the molten metal (charge). Using an additional magnetic field, an arc is formed in the form of a loop, the upper end of which is attached to the plasmatron, and the lower end to the molten metal bath, which excludes the possibility of arc burning on the crucible wall. In the zone of attachment of the plasma arc to the metal, a so-called “anode spot” is formed. Pulling the column of the plasma arc from the interelectrode gap using the transverse arc of the main magnetic field, the induction of which is proportional to the strength of the arc current, and creating it in the form of a loop (the so-called "loop arc") using an additional magnetic field, the induction of which is proportional to the voltage of the arc, makes it possible the formation of the "anode spot" of the arc in the central part of the molten metal bath and reduces the effect of the intrinsic magnetic field of the arc on the melt, which leads to the formation of waves liquid metal. The opposite directions of the main and additional magnetic fields in this case reduce the wave of liquid metal incident on the wall of the crucible, and reduce the likelihood of liquid metal spilling out of the crucible, and also reduce the formation of growths resulting from the rolling of liquid metal on the side surface of the skull.

Перед сливом расплава из тигля обеспечивают отклонение вакуумной плазменной дуги в место образования нароста на гарнисаже для его удаления, что дает возможность увеличить массу расплава, сливаемого из тигля.Before draining the melt from the crucible, the vacuum plasma arc is deflected to the place of formation of the growth on the skull to remove it, which makes it possible to increase the mass of the melt drained from the crucible.

Перемещение дуги обеспечивают при перемешивании расплава в горизонтальной плоскости навстречу движению жидкого металла, а при перемешивании расплава в вертикальной плоскости - в места образования выпуклостей, преимущественно, сферической формы. Посредством воздействия на вакуумную плазменную дугу магнитным полем осуществляют сканирование дуги, перемещая ее по поверхности зеркала расплава навстречу потоку металла, т.е. в сторону, противоположную направлению перемещения потока жидкого металла в горизонтальной плоскости. При перемешивании расплава в вертикальной плоскости плазменную дугу вводят в верхнюю часть выпуклостей, преимущественно, сферической формы. Это создает турбулизацию потока жидкого металла и повышает эффективность перемешивания, а также интенсифицирует процесс плавления.When moving the melt in the horizontal plane towards the movement of the liquid metal, the movement of the arc is provided, and when the melt is mixed in the vertical plane, to the places where the bulges form, mainly of a spherical shape. By applying a magnetic field to the vacuum plasma arc, the arc is scanned by moving it along the surface of the melt mirror towards the metal flow, i.e. in the direction opposite to the direction of movement of the flow of liquid metal in the horizontal plane. While mixing the melt in a vertical plane, a plasma arc is introduced into the upper part of the bulges, mainly of a spherical shape. This creates a turbulization of the liquid metal flow and increases the mixing efficiency, as well as intensifies the melting process.

Создание магнитных полей для перемещения дуги и перемешивания расплава осуществляют попеременно. Это позволяет исключить взаимное влияние магнитных полей и их искажение.The creation of magnetic fields for moving the arc and mixing the melt is carried out alternately. This eliminates the mutual influence of magnetic fields and their distortion.

В процессе плавки осуществляют корректировку индукции основного и дополнительного магнитных полей, при этом силу тока вакуумной плазменной дуги регулируют посредством изменения параметров источника питания.In the melting process, the induction of the main and additional magnetic fields is adjusted, while the current strength of the vacuum plasma arc is controlled by changing the parameters of the power source.

Корректировка величины индукции основного магнитного поля при изменении расхода плазмообразующего газа, подающегося через полый катод вакуумного плазмотрона, и корректировка величины индукции дополнительного магнитного поля в зависимости от давления газов в камере печи, а также регулирование силы тока посредством изменения параметров источника питания и создание в разрядной камере разреженной атмосферы позволяют полностью автоматизировать процесс приготовления сплава, оптимизировать процесс плавки и снизить расход электроэнергии на единицу массы сливаемого расплава.Correction of the magnitude of the induction of the main magnetic field when the flow rate of the plasma-forming gas supplied through the hollow cathode of the vacuum plasma torch, and the correction of the magnitude of the induction of the additional magnetic field depending on the gas pressure in the furnace chamber, as well as the regulation of the current by changing the parameters of the power source and the creation in the discharge chamber rarefied atmosphere allows you to fully automate the alloy preparation process, optimize the melting process and reduce energy consumption and per unit mass of the discharged melt.

При этом величину индукции основного магнитного поля, пропорциональную силе тока дуги, корректируют по расходу плазмообразующего газа как в ручном, так и в автоматическом режимах. Это касается кратковременно процесса зажигания дуги. Величину индукции дополнительного магнитного поля, пропорциональную напряжению дуги, корректируют по давлению газов в камере печи как в ручном, так и в автоматическом режимах.In this case, the magnitude of the main magnetic field induction, which is proportional to the strength of the arc current, is adjusted for the flow rate of the plasma-forming gas in both manual and automatic modes. This applies briefly to the process of ignition of the arc. The magnitude of the additional magnetic field induction, proportional to the arc voltage, is corrected for the gas pressure in the furnace chamber in both manual and automatic modes.

Для зажигания дуги через полый катод плазмотрона в камеру печи подают плазмообразующий газ, например аргон или гелий. Включают расположенный под катодом основной электромагнит и находящийся на противоположной стороне тигля дополнительный электромагнит системы управления дугой. Подключают источник электропитания плазмотрона и с помощью осциллятора (генератора высокочастотных колебаний) зажигают дугу между катодом и верхним фланцем тигля. Магнитное поле основного электромагнита мгновенно «сдувает» дугу с фланца тигля на шихту, а направленное встречно магнитное поле дополнительного электромагнита препятствует выходу дуги на стенку тигля, формируя петлевую дугу. Далее проводят процесс расплавления шихты, не прекращая откачку камеры вакуумным насосом и регулируя параметры, влияющие на ход плавки.To ignite the arc, a plasma-forming gas, for example argon or helium, is fed into the furnace chamber through the hollow cathode of the plasma torch. The main electromagnet located under the cathode and the additional electromagnet of the arc control system located on the opposite side of the crucible are switched on. The power source of the plasma torch is connected and, using an oscillator (high-frequency oscillation generator), an arc is ignited between the cathode and the upper flange of the crucible. The magnetic field of the main electromagnet instantly “blows” the arc from the crucible flange onto the charge, and the counter-directed magnetic field of the additional electromagnet prevents the arc from exiting onto the crucible wall, forming a loop arc. Next, the process of melting the charge is carried out without stopping the pumping of the chamber with a vacuum pump and adjusting the parameters affecting the course of the melting.

В металлургических плазменных печах в определенные периоды плавки силу тока дуги в течение достаточно длительных отрезков времени поддерживают постоянной, изменяя при этом технологические параметры работы плазмотрона, такие как длина дуги, расход плазмообразующего газа, давление в камере печи. Эти параметры влияют на условия горения дуги. Расход плазмообразующего газа в процессе плавки меняют для решения технологических задач, например для характера перемешивания металла, изменения мощности, выделяемой на расплавляемой шихте. Давление в печи увеличивают, например, для подавления испарения летучих компонентов приготовляемых сплавов, а уменьшают - для повышения эффективности дегазации металла.In metallurgical plasma furnaces, during certain periods of melting, the arc current is kept constant for quite long periods of time, while changing the technological parameters of the plasma torch, such as arc length, plasma gas flow rate, and pressure in the furnace chamber. These parameters affect the conditions of arc burning. The flow rate of the plasma-forming gas during the melting process is changed to solve technological problems, for example, for the nature of metal mixing, changes in the power released on the molten charge. The pressure in the furnace is increased, for example, to suppress the evaporation of the volatile components of the prepared alloys, and reduced to increase the efficiency of metal degassing.

При создании в разрядной камере разреженной газовой атмосферы, в которой напряжение практически не зависит или слабо зависит от длины дуги, величину индукции основного магнитного поля корректируют в зависимости от расхода плазмообразующего газа, а величину индукции дополнительного магнитного поля корректируют в зависимости от давления газов в камере печи. При этом силу тока плазменной дуги регулируют посредством изменения параметров источника питания.When creating a rarefied gas atmosphere in the discharge chamber, in which the voltage is practically independent or weakly dependent on the arc length, the magnitude of the main magnetic field induction is adjusted depending on the plasma gas flow rate, and the magnitude of the additional magnetic field induction is adjusted depending on the gas pressure in the furnace chamber . In this case, the current of the plasma arc is regulated by changing the parameters of the power source.

Установлено, что в разреженной атмосфере при давлении 10-3 мм рт.ст. до 1 мм рт.ст. изменение расхода плазмообразующего газа, пропускаемого через дугу, приводит к изменению электронно-ионного состава дуги. Уменьшение расхода плазмообразующего газа приводит к увеличению количества электронов или соответственно к уменьшению количества ионов в дуге и к повышению управляемости дуги магнитным полем (дуга легче отклоняется и проще изгибается под действием магнитного поля). Наоборот, повышение расхода плазмообразующего газа приводит к уменьшению количества электронов в столбе дуги или соответственно к увеличению количества ионов и к уменьшению управляемости дугой с помощью магнитного поля (дуга хуже отклоняется и труднее изгибается). Для получения одного и того же силового воздействия со стороны магнитного поля на дугу при повышенном расходе плазмообразующего газа величину индукции магнитного поля надо увеличивать, а при пониженном - уменьшать.It was found that in a rarefied atmosphere at a pressure of 10 -3 mm Hg up to 1 mmHg a change in the flow rate of the plasma-forming gas passed through the arc leads to a change in the electron-ion composition of the arc. A decrease in the consumption of plasma-forming gas leads to an increase in the number of electrons or, accordingly, to a decrease in the number of ions in the arc and to an increase in controllability of the arc by a magnetic field (the arc is more easily deflected and easier to bend under the influence of a magnetic field). On the contrary, an increase in the consumption of plasma-forming gas leads to a decrease in the number of electrons in the arc column or, accordingly, to an increase in the number of ions and to a decrease in controllability of the arc by means of a magnetic field (the arc deviates worse and bends more difficult). To obtain the same force from the side of the magnetic field on the arc with an increased consumption of plasma-forming gas, the magnitude of the magnetic field induction must be increased, and with a reduced - reduced.

Корректировка величины индукции дополнительного магнитного поля пропорционально напряжению дуги без коррекции величины индукции по изменению давления в печи и расхода плазмообразующего газа может привести к нарушению технологического процесса из-за чрезмерного или недостаточного отклонения дуги, что приведет к ухудшению перемешивания металла, т.е. к снижению качества получаемого расплава, а также к снижению скорости плавления шихты, т.е. к снижению производительности, и, в случае попадания дуги на стенку тигля, к аварийной ситуации.Correction of the magnitude of the additional magnetic field induction in proportion to the arc voltage without correcting the magnitude of the induction by changing the pressure in the furnace and the plasma gas flow rate can lead to disruption of the process due to excessive or insufficient arc deflection, which will lead to a deterioration in the mixing of the metal, i.e. to reduce the quality of the obtained melt, as well as to reduce the melting rate of the mixture, i.e. to a decrease in productivity, and, in the event of an arc falling on the crucible wall, to an emergency.

Величина напряжения дуги зависит не только от длины дуги, но и от давления в камере печи, которое может меняться как специально при выполнении технологических операций, так и самопроизвольно, например, из-за испарения элементов шихты с высокой упругостью пара. Кроме того, давление меняется и при изменении расхода газа, что также приводит к изменению напряжения дуги.The magnitude of the arc voltage depends not only on the length of the arc, but also on the pressure in the furnace chamber, which can vary both specifically during technological operations and spontaneously, for example, due to the evaporation of charge elements with high vapor pressure. In addition, the pressure also changes with a change in gas flow, which also leads to a change in arc voltage.

Система автоматического управления не может распознать, по какой причине изменилось напряжение: из-за увеличения длины дуги или из-за изменения давления в камере установки.The automatic control system cannot recognize for what reason the voltage has changed: due to an increase in the length of the arc or because of a change in pressure in the installation chamber.

Поэтому в предлагаемых изобретениях в гарнисажной печи с вакуумным плазмотроном, установленным за пределами ванны с расплавленным металлом, корректировку индукции основного и дополнительного магнитных полей предлагается производить следующим образом.Therefore, in the proposed inventions in a skull furnace with a vacuum plasmatron installed outside the molten metal bath, it is proposed to correct the induction of the main and additional magnetic fields as follows.

При повышении расхода плазмообразующего газа от 0,1 м3/час до 10 м3/час величину индукции основного магнитного поля увеличивают на 10-30%, а при снижении расхода плазмообразующего газа от 0,1 м3/час до 0,05 м3/час величину индукции основного магнитного поля уменьшают на 20-40%.With an increase in the consumption of plasma-forming gas from 0.1 m 3 / h to 10 m 3 / h, the magnitude of the induction of the main magnetic field is increased by 10-30%, and with a decrease in the consumption of plasma-forming gas from 0.1 m 3 / h to 0.05 m 3 / hour, the magnitude of the induction of the main magnetic field is reduced by 20-40%.

Величину индукции дополнительного магнитного поля увеличивают на 10-30% при повышении давления в камере печи от 10-1 мм рт.ст. до 1 мм рт.ст., а при снижении давления в камере печи от 10-1 мм рт.ст. до 10-3 мм рт.ст. величину индукции дополнительного магнитного поля уменьшают на 30-60%.The magnitude of the additional magnetic field induction is increased by 10-30% with increasing pressure in the furnace chamber from 10 -1 mm Hg up to 1 mm Hg, and when the pressure in the furnace chamber decreases from 10 -1 mm Hg up to 10 -3 mm Hg the magnitude of the induction of the additional magnetic field is reduced by 30-60%.

Это обеспечит оптимальное управление вакуумной плазменной дугой при изменении давления плазмообразующего газа и давления в камере печи при горении дуги в разреженной атмосфере.This will provide optimal control of the vacuum plasma arc when changing the pressure of the plasma-forming gas and the pressure in the furnace chamber during arc burning in a rarefied atmosphere.

Таким образом, в процессе плавки осуществляют контролируемое регулирование силы тока вакуумной плазменной дуги, расхода плазмообразующего газа, давления в печи, длины вакуумной плазменной дуги и величины индукции магнитных полей.Thus, in the melting process, a controlled regulation of the current strength of the vacuum plasma arc, the flow rate of the plasma gas, the pressure in the furnace, the length of the vacuum plasma arc and the magnitude of the magnetic field induction are carried out.

Подключение систем электромагнитного управления вакуумной плазменной дугой и перемешиванием расплава, установка и регулирование ее параметров для формирования и перемещения (сканирования) дуги по поверхности шихты и перемешивания образующегося расплава обеспечивает заданное соблюдение технологического процесса при повышении эффективности расплавления шихтовых материалов и повышении производительности процесса плавки.Connecting the electromagnetic control systems of a vacuum plasma arc and melt mixing, setting and adjusting its parameters for forming and moving the arc (scanning) the arc along the charge surface and mixing the resulting melt ensures predetermined observance of the technological process while increasing the efficiency of melting of charge materials and increasing the productivity of the melting process.

Полученный расплав выдерживают в гарнисажном тигле 0,05-0,5 часа и разливают в изложницы с регулируемой скоростью. Это позволяет интенсифицировать усреднение химического состава получаемого сплава в объеме тигля, а также обеспечивает получение сплава с необходимой структурой.The obtained melt is kept in a skull crucible for 0.05-0.5 hours and poured into molds with an adjustable speed. This allows you to intensify the averaging of the chemical composition of the resulting alloy in the volume of the crucible, and also provides an alloy with the necessary structure.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На Фиг.1 изображен общий вид устройства для вакуумно-дуговой плавки металлов и сплавов в гарнисажной печи с вакуумным плазмотроном, установленным на периферии тигля под углом к его вертикальной оси.Figure 1 shows a General view of a device for vacuum-arc melting of metals and alloys in a skull furnace with a vacuum plasmatron mounted on the periphery of the crucible at an angle to its vertical axis.

На Фиг.2 изображен водоохлаждаемый металлический тигель с указанием воздействия на дугу и расплав в процессе плавки электромагнитных полей.Figure 2 shows a water-cooled metal crucible indicating the effects on the arc and melt during the melting of electromagnetic fields.

Согласно изобретению устройство для вакуумно-дуговой плавки металлов и сплавов в гарнисажной печи содержит вакуумную камеру 1 гарнисажной печи (Фиг.1), в которой размещена плавильная емкость, представляющая собой водоохлаждаемый металлический тигель 2. Тигель 2 выполнен из меди и имеет верхнюю кромку 3 и днище 4. Гарнисажная печь также содержит катододержатель 5 с катодом 6. Катод 6 выполнен полым и представляет собой вакуумный плазмотрон 7, в котором плазмообразующий газ превращается в плазму в условиях вакуума и с помощью образовавшейся вакуумной плазменной дуги осуществляет плавку металла. Катод 6 установлен под углом относительно вертикальной оси тигля и расположен на периферии тигля 2 вне зеркала расплава. Гарнисажная печь дополнительно содержит систему 8 электромагнитного управления вакуумной плазменной дугой и систему 9 электромагнитного перемешивания расплава, состоящие из двух групп электромагнитов, верхней 10 и нижней 11. Верхняя группа 10 электромагнитов установлена выше отметки максимально допустимого уровня расплава в тигле (не показана) и содержит основные 12 и дополнительные 13 магниты, создающие встречно направленные магнитные поля. Верхняя группа 10 электромагнитов предназначена для вытягивания дуги, формирования ее в виде петли и перемещения из одного сектора тигля в другой. Нижняя группа 11 электромагнитов расположена ниже отметки максимально допустимого уровня расплава в тигле и содержит магниты, создающие тангенциально направленные магнитные поля. Нижняя группа 11 электромагнитов обеспечивает управление электромагнитным перемешиванием расплава в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Отметка максимально допустимого уровня расплава в тигле 2 расположена, по крайней мере, на 50-100 мм ниже его верхней кромки 3.According to the invention, a device for vacuum-arc melting of metals and alloys in a skull furnace contains a vacuum chamber 1 of the skull furnace (Fig. 1), in which a melting tank is placed, which is a water-cooled metal crucible 2. The crucible 2 is made of copper and has an upper edge 3 and the bottom 4. The skull furnace also contains a cathode holder 5 with a cathode 6. The cathode 6 is hollow and is a vacuum plasmatron 7, in which the plasma-forming gas is converted into plasma under vacuum and using the resulting vacuum a smart plasma arc melts metal. The cathode 6 is installed at an angle relative to the vertical axis of the crucible and is located on the periphery of the crucible 2 outside the melt mirror. The skull furnace additionally contains a system 8 of electromagnetic control of a vacuum plasma arc and a system 9 of electromagnetic mixing of the melt, consisting of two groups of electromagnets, the top 10 and bottom 11. The upper group 10 of electromagnets is installed above the maximum permissible melt level in the crucible (not shown) and contains the main 12 and an additional 13 magnets creating counter-directional magnetic fields. The upper group of 10 electromagnets is designed to stretch the arc, form it in the form of a loop and move from one sector of the crucible to another. The lower group of 11 electromagnets is located below the maximum permissible melt level in the crucible and contains magnets that create tangentially directed magnetic fields. The lower group 11 of electromagnets provides control of the electromagnetic mixing of the melt in the horizontal and vertical planes. The maximum permissible melt level in the crucible 2 is located at least 50-100 mm below its upper edge 3.

Полый катод 6 изготовлен из тугоплавкого термоэмиссионного материала, например вольфрама.The hollow cathode 6 is made of a refractory thermionic material, such as tungsten.

Катододержатель 5 выполнен медным и водоохлаждаемым и имеет осевое отверстие (не показано) для подачи плазмообразующего газа, например аргона.The cathode holder 5 is made of copper and water-cooled and has an axial hole (not shown) for supplying a plasma-forming gas, such as argon.

Электромагниты верхней 10 и нижней 11 групп представляют собой расположенные в охлаждаемой зоне 14 тигля 2, одна под другой, обмотки с ферромагнитными сердечниками.The electromagnets of the upper 10 and lower 11 groups are located in the cooled zone 14 of the crucible 2, one below the other, windings with ferromagnetic cores.

Часть электромагнитов нижней группы, обеспечивающих управление электромагнитным перемешиванием расплава в горизонтальной плоскости, может быть выполнена в виде соленоидов 15, представляющих собой охватывающие тигель 2 обмотки, расположенные в охлаждаемой зоне 14 тигля 2.Part of the electromagnets of the lower group, providing control of the electromagnetic mixing of the melt in the horizontal plane, can be made in the form of solenoids 15, which are windings covering the crucible 2, located in the cooled zone 14 of the crucible 2.

Устройство для вакуумно-дуговой плавки металлов и сплавов в гарнисажной печи содержит источник постоянного тока 16 и источник питания электромагнитов 25.A device for vacuum arc melting of metals and alloys in a skull furnace contains a direct current source 16 and a power source of electromagnets 25.

Водоохлаждаемый тигель 2 выполнен с возможностью перемещения и содержит сливной носок 18. Тигель 2 может быть выполнен поворотным относительно линии горизонта.Water-cooled crucible 2 is made with the possibility of movement and contains a drain sock 18. The crucible 2 can be made rotatable relative to the horizon.

Гарнисажная печь содержит расположенные под тиглем 2 изложницы 17, которые выполнены с возможностью перемещения и установлены на вращающемся литейном столе 19.The skull oven contains 2 molds 17 located under the crucible, which are movable and mounted on a rotating casting table 19.

Гарнисажная печь содержит дозатор 20 для загрузки в тигель шихты и гляделку 21.The skull furnace contains a dispenser 20 for loading the mixture into a crucible and a peephole 21.

Вакуумная камера 1 гарнисажной печи содержит патрубок 22 откачки газа, присоединяемый к вакуумным насосам (не показаны).The vacuum chamber 1 of the skull furnace contains a pipe 22 for pumping gas, connected to vacuum pumps (not shown).

Вакуумный плазмотрон 7 и водоохлаждаемый металлический тигель 2 подключены к источнику постоянного тока 16 с помощью гибких токоподводов 23 и 24 соответственно.A vacuum plasmatron 7 and a water-cooled metal crucible 2 are connected to a direct current source 16 using flexible current leads 23 and 24, respectively.

Обмотки верхней 10 и нижней 11 групп электромагнитов подсоединены к источнику питания 25 с помощью гибкого токоподвода (не показан) и связаны между собой через переключатель 26, обеспечивающий их согласованную и попеременную работу в автоматическом режиме.The windings of the upper 10 and lower 11 groups of electromagnets are connected to a power source 25 using a flexible current supply (not shown) and are interconnected via a switch 26, ensuring their coordinated and alternating operation in automatic mode.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

В начале работы производят загрузку основной части металлической кусковой шихты в медный водоохлаждаемый тигель 2 через дозатор 20. При загрузке шихты в тигель сначала загружают тугоплавкие компоненты сплава, а его легкоплавкие составляющие подают в тигель в конце плавки.At the beginning of the work, the bulk of the metal lump charge is loaded into the water-cooled copper crucible 2 through the batcher 20. When loading the charge into the crucible, the refractory alloy components are first loaded, and its low-melting components are fed into the crucible at the end of the melting.

Затем подводят наклонный вакуумный плазмотрон 7 с полым горячим катодом 6 к тиглю 2 и устанавливают его в положение, необходимое для возбуждения дуги. Вакуумный плазмотрон 7 устанавливают так, чтобы исключить попадание материала катода 6 в тигель 2 в процессе расплавления шихты, то есть полый вольфрамовый катод 6 плазмотрона находится на периферии водоохлаждаемого тигля 2, вне зоны зеркала металла.Then, an inclined vacuum plasmatron 7 with a hollow hot cathode 6 is brought to the crucible 2 and set it to the position necessary for arc excitation. The vacuum plasmatron 7 is set so as to prevent the cathode 6 material from getting into the crucible 2 during charge melting, that is, the hollow tungsten cathode 6 of the plasma torch is located on the periphery of the water-cooled crucible 2, outside the metal mirror zone.

Подводят изложницы 17 под тигель 2 в положение, соответствующее началу слива металла. Затем осуществляют герметизацию гарнисажной печи, обеспечивают откачку газа из камеры 1 печи вакуумными насосами через патрубок 22 до остаточного давления 10-3-10-4 мм рт.ст.The molds 17 are brought under the crucible 2 to the position corresponding to the beginning of the discharge of the metal. Then carry out the sealing of the skull furnace, provide pumping gas from the chamber 1 of the furnace with vacuum pumps through the pipe 22 to a residual pressure of 10 -3 -10 -4 mm RT.article

Подают через полый катод 6 плазмообразующий газ в печь с расходом, соответствующим мощности полого горячего катода 6 и требуемому вакууму в камере 1 печи для проведения процесса расплавления шихты без выключения откачки камеры 1 печи. Обычно используют инертный газ, аргон, гелий, но возможно использование и активных газов, азота, метана и др.Plasma-forming gas is supplied through the hollow cathode 6 to the furnace with a flow rate corresponding to the power of the hollow hot cathode 6 and the required vacuum in the furnace chamber 1 to carry out the process of melting the charge without turning off the pump chamber 1. Inert gas, argon, helium are usually used, but it is also possible to use active gases, nitrogen, methane, etc.

Подключают через гибкий токоподвод 23 к полому катоду 6 плазмотрона 7 и через гибкий токоподвод 24 к тиглю 2 источник постоянного тока 16 и возбуждают разряд с помощью высокочастотного генератора или источника напряжения (не показаны) величиной несколько сотен вольт.A direct current source 16 is connected through a flexible current supply 23 to the hollow cathode 6 of the plasma torch 7 and through a flexible current supply 24 to the crucible 2 and a discharge is excited using a high-frequency generator or voltage source (not shown) of several hundred volts.

Осуществляют поддержание полученного разряда при небольшой мощности (единицы киловатт), достаточной для разогрева катода 6 до температуры термоэмиссии, необходимой для создания вакуумной плазменной дуги. Вакуумная плазменная дуга 30 в момент зажигания представлена на Фиг.2. При такой мощности дуга может гореть на фланец или стенку тигля, не проплавляя их.The obtained discharge is maintained at a small power (units of kilowatts), sufficient to heat the cathode 6 to the temperature of thermionic emission, which is necessary to create a vacuum plasma arc. Vacuum plasma arc 30 at the time of ignition is shown in Fig.2. With this power, the arc can burn on the flange or wall of the crucible without smelting them.

Затем мощность дуги увеличивают до величины, необходимой для проведения процесса расплавления шихты (сотни киловатт), и вытягивают дугу магнитным полем основных магнитов 12 для обеспечения горения вакуумной плазменной дуги на металл (шихту), а также формируют петлю дуги магнитным полем дополнительных магнитов 13 для исключения возможности горения вакуумной плазменной дуги на стенку тигля. Таким образом получают вакуумную плазменную дугу 31 в рабочем состоянии (Фиг.2).Then the arc power is increased to the value necessary for carrying out the process of melting the charge (hundreds of kilowatts), and the arc is pulled by the magnetic field of the main magnets 12 to ensure the combustion of the vacuum plasma arc on the metal (charge), and also form an arc loop by the magnetic field of the additional magnets 13 to exclude the possibility of burning a vacuum plasma arc on the crucible wall. Thus get a vacuum plasma arc 31 in working condition (Figure 2).

Устанавливают расход плазмообразующего газа, длину дуги, вакуум в камере 1 печи, мощность дуги (силу тока и напряжения дуги), соответствующие периоду расплавления шихты.The flow rate of the plasma-forming gas, the arc length, the vacuum in the furnace chamber 1, the arc power (current strength and arc voltage) are established, which correspond to the charge melting period.

Обеспечивают через гибкий токоподвод электромагнитов (не показан) подключение системы 8 электромагнитного управления дугой и системы 9 перемешивания расплава к источнику питания 25 (Фиг.1). Осуществляют установку и регулирование параметров дуги для перемещения (сканирования) ее по поверхности шихты и перемешивания образующегося жидкого металла для повышения эффективности расплавления шихтовых материалов.Provide through a flexible current supply of electromagnets (not shown) the connection of the system 8 of electromagnetic control of the arc and the system 9 of mixing the melt to the power source 25 (Figure 1). Carry out the installation and regulation of the parameters of the arc to move (scan) it along the surface of the charge and mix the resulting molten metal to increase the efficiency of the melting of the charge materials.

Верхняя 10 и нижняя 11 группы электромагнитов систем 8 и 9 электромагнитного управления дугой и перемешивания расплава работают согласованно и попеременно. Обмотки верхней и нижней групп электромагнитов связаны между собой через переключатель 26 (Фиг.1), обеспечивающий их согласованную и попеременную работу в автоматическом режиме.The upper 10 and lower 11 groups of electromagnets of systems 8 and 9 of electromagnetic arc control and melt mixing work in concert and alternately. The windings of the upper and lower groups of electromagnets are interconnected via a switch 26 (Figure 1), ensuring their coordinated and alternating operation in automatic mode.

В период расплавления шихты, когда основная часть металла находится в твердом состоянии, определяющей является система 8 электромагнитного управления дугой. Система управления дугой обеспечивает поочередное включение электромагнитов верхней группы 10, перемещающих дугу 31 из одного сектора тигля в другой, как показано на Фиг.2. Затем включается в работу система 9 электромагнитного управления перемешиванием расплава. В зависимости от номера включенного электромагнита верхней группы 10 система 9 электромагнитного управления перемешиванием расплава включает охватывающие тигель соленоиды 15 с таким направлением поля, которое обеспечивает вращение металла во встречном по отношению к вакуумной плазменной дуге направлении, или электромагнит нижней группы 11 с соответствующим номером, который обеспечивает формирование потока жидкого металла в зоне анодного пятна дуги во встречном по отношению к дуге 31 направлении.During the melting of the charge, when the bulk of the metal is in the solid state, the determining system 8 is the electromagnetic control of the arc. The arc control system provides the alternate inclusion of electromagnets of the upper group 10, moving the arc 31 from one sector of the crucible to another, as shown in Fig.2. Then the system 9 of the electromagnetic control of mixing the melt is turned on. Depending on the number of the electromagnet of the upper group 10 turned on, the system 9 of electromagnetic control of melt mixing includes solenoids 15 enclosing the crucible with a field direction that ensures metal rotation in the direction opposite to the vacuum plasma arc, or an electromagnet of the lower group 11 with the corresponding number, which provides the formation of a stream of liquid metal in the zone of the anode spot of the arc in the direction opposite to the arc 31.

После расплавления кусков шихты и получения ванны жидкого металла на всей поверхности тигля определяющей становится система 9 электромагнитного перемешивания жидкого металла, которая должна обеспечить размывание потоками 33 жидкого металла донных участков шихты и затем усреднить температуру жидкого металла во всем объеме тигля за счет эффективного перемешивания расплава в тигле. В этот период основным режимом является режим перемешивания расплава в вертикальной плоскости, что обеспечивается включением электромагнитов 11 нижней группы, магнитное поле которых взаимодействует с токами, протекающими по расплаву. Это взаимодействие приводит к возникновению сил, вызывающих вертикальное перемещение масс жидкого металла, как показано на Фиг.2. Величину индукции магнитного поля выбирают такой, чтобы на поверхности расплава под действием направленного вверх потока жидкого металла появлялась сферическая выпуклость 32. Существование выпуклости говорит о том, что система перемешивания 9 работает эффективно. Для усиления перемешивания посредством организации турбулентного движения расплава вакуумную плазменную дугу направляют непосредственно на образовавшуюся выпуклость, что осуществляется автоматически по заданной программе за счет включения электромагнита верхней группы 10, номер которого соответствует номеру включенного электромагнита нижней группы 11.After the pieces of the mixture are melted and a liquid metal bath is obtained on the entire surface of the crucible, the system of electromagnetic mixing of the liquid metal 9 becomes decisive, which should ensure that the bottom sections of the mixture are washed out by the liquid metal streams 33 and then average the temperature of the liquid metal over the entire volume of the crucible due to the effective mixing of the melt in the crucible . During this period, the main mode is the mode of mixing the melt in the vertical plane, which is ensured by the inclusion of electromagnets 11 of the lower group, the magnetic field of which interacts with currents flowing through the melt. This interaction leads to the emergence of forces that cause vertical movement of the masses of liquid metal, as shown in Fig.2. The magnitude of the magnetic field induction is chosen so that a spherical convex 32 appears on the surface of the melt under the action of the upward flow of the liquid metal. The existence of the convexity indicates that the mixing system 9 is working efficiently. To enhance mixing by organizing the turbulent movement of the melt, the vacuum plasma arc is sent directly to the formed bulge, which is carried out automatically according to the specified program by turning on the electromagnet of the upper group 10, the number of which corresponds to the number of the electromagnet of the lower group 11.

Перед сливом расплава из тигля обеспечивают отклонение вакуумной плазменной дуги в место образования нароста 34 на гарнисаже, образования которого не удалось избежать. Это обеспечивает удаление нароста, что дает возможность увеличить массу расплава, сливаемого из тигля. Образование нароста затрудняет ход процесса плавки из-за ухудшения перемешивания расплава в тигле и снижает возможность получения сплава заданного химического состава, а также приводит к уменьшению производительности процесса из-за снижения массы сливаемого металла. Удаление нароста может выполняться в ручном режиме.Before draining the melt from the crucible, the vacuum plasma arc is deflected to the place of formation of the growth 34 on the skull, the formation of which could not be avoided. This ensures the removal of growth, which makes it possible to increase the mass of the melt drained from the crucible. The formation of a build-up complicates the course of the melting process due to the deterioration of melt mixing in the crucible and reduces the possibility of obtaining an alloy of a given chemical composition, and also leads to a decrease in the process productivity due to a decrease in the mass of the metal being drained. Removal of the growth can be performed in manual mode.

После достижения среднемассовой температуры металла, обеспечивающей его необходимую жидкотекучесть для проведения успешной разливки, из дозатора 20 (Фиг.1) вводят легкоплавкие легирующие компоненты сплава с высокой упругостью пара, такие как алюминий.After reaching the mass-average temperature of the metal, providing it with the necessary fluidity for successful casting, low-melting alloying alloy components with high vapor pressure, such as aluminum, are introduced from the dispenser 20 (FIG. 1).

Слив приготовленного сплава в изложницы 17, смонтированные на столе 19 литейной машины, производят после выдержки полученного расплава в гарнисажном тигле 0,05-0,5 часа. Слив осуществляют через сливной носок 18 тигля 2 посредством его поворота вокруг горизонтальной оси. Во время разливки производят перемещение тигля 2 или изложниц 17 для обеспечения точного попадания струи сливаемого жидкого металла в изложницу.The prepared alloy is drained into the molds 17 mounted on the table 19 of the casting machine, after the obtained melt is kept in a skull crucible for 0.05-0.5 hours. Drainage is carried out through the drain toe 18 of the crucible 2 by turning it around a horizontal axis. During casting, the crucible 2 or the molds 17 are moved to ensure that the jet of the liquid metal to be drained falls into the mold accurately.

Сразу же после слива жидкого металла тигель возвращают в исходное (горизонтальное) положение.Immediately after draining the liquid metal, the crucible is returned to its original (horizontal) position.

Для организации непрерывного цикла работы печи вторую и следующую загрузку шихты в тигель производят без разгерметизации печи из загрузочного устройства - шнекового загрузчика или лотка (не показаны) через дозатор 20 шихтовых материалов, первую (предыдущую) изложницу 17 отводят от тигля и подводят вторую изложницу под тигель. Далее процесс повторяют, начиная с подачи плазмообразующего газа в полый катод 6, не дожидаясь полной откачки камеры 1 печи.To organize a continuous cycle of operation of the furnace, the second and next loading of the charge into the crucible is carried out without depressurization of the furnace from the loading device - a screw loader or a tray (not shown) through the batcher 20 of charge materials, the first (previous) mold 17 is removed from the crucible and the second mold is placed under the crucible . Next, the process is repeated, starting with the supply of plasma-forming gas to the hollow cathode 6, without waiting for the complete evacuation of the furnace chamber 1.

Примеры реализации способаMethod implementation examples

Пример 1. Выплавка жаропрочных никелевых сплавов.Example 1. Smelting of heat-resistant nickel alloys.

В вакуумно-плазменной гарнисажной печи, сконструированной в соответствии со схемой, представленной на Фиг.1, проводили выплавку жаропрочных никелевых сплавов марки ЖС. В поворотный гарнисажный тигель емкостью примерно 200 кг (по никелю) загружали шихту - компоненты сплава в виде чистых металлов. В охлаждаемой полости тигля были размещены две группы электромагнитов, по четыре электромагнита в каждой группе. Верхняя группа электромагнитов системы электромагнитного управления дугой была установлена в тигле на расстоянии 60 мм от верхней кромки тигля. Нижние электромагниты системы перемешивания расплава размещали на расстоянии 120 мм от верхней кромки тигля. Для создания дугового разряда использовали вакуумный плазмотрон с полым катодом, составленным из вольфрамовых стержней марки ВЛ-10. Стержни вставляли в медный охлаждаемый цилиндрический катододержатель с осевым отверстием для подачи аргона в полость катода. Вакуумный плазмотрон был установлен под углом 30° относительно вертикальной оси так, что его катод располагался на периферии тигля над верхним фланцем печи.In a vacuum-plasma skull oven designed in accordance with the scheme shown in Fig. 1, smelting of heat-resistant nickel alloys of the ZhS brand was carried out. A charge — alloy components in the form of pure metals — was loaded into a rotary skull plate with a capacity of about 200 kg (nickel). Two groups of electromagnets were placed in the cooled cavity of the crucible, four electromagnets in each group. The upper group of electromagnets of the electromagnetic arc control system was installed in the crucible at a distance of 60 mm from the top edge of the crucible. The lower electromagnets of the melt mixing system were placed at a distance of 120 mm from the upper edge of the crucible. To create an arc discharge, a vacuum plasmatron with a hollow cathode composed of tungsten rods of the VL-10 brand was used. The rods were inserted into a copper cooled cylindrical cathode holder with an axial hole for feeding argon into the cathode cavity. The vacuum plasmatron was installed at an angle of 30 ° relative to the vertical axis so that its cathode was located on the periphery of the crucible above the upper flange of the furnace.

В тигель загружали стандартную шихту из чистых металлов: пластины никеля, кобальта, титана, штабики ниобия, молибдена и вольфрама. Массу шихты рассчитывали таким образом, чтобы после ее расплавления уровень жидкого металла находился на 80 мм ниже верхней кромки тигля. Шихту загружали таким образом, чтобы тугоплавкие компоненты находились сверху. К тиглю подводили наклонный плазмотрон так, чтобы его полый вольфрамовый катод располагался вне шихты и вне зеркала жидкого металла над верхним фланцем тигля, и устанавливали его в положение, необходимое для возбуждения дуги, на расстоянии 100 мм от торца катода до верхнего фланца тигля. Такое расположение плазмотрона при выплавке никелевых сплавов позволяло получать сплав с расчетным содержанием вольфрама. После четырех аналогичных плавок, проведенных с плазмотроном, вертикально установленным по центру тигля (до реконструкции печи), содержание вольфрама в сплаве после третьей и четвертой плавки превысило максимально допустимое значение соответственно на 6 и 7% из-за повышенного износа вольфрамового катода плазмотрона. Фактически это и явилось причиной реконструкции печи для изменения положения плазмотрона и удаления катода от плавящейся шихты и зеркала расплава.A standard charge of pure metals was loaded into the crucible: plates of nickel, cobalt, titanium, niobium, molybdenum and tungsten sticks. The mass of the mixture was calculated so that after its melting the level of the liquid metal was 80 mm below the upper edge of the crucible. The mixture was loaded so that the refractory components were on top. An inclined plasmatron was brought to the crucible so that its hollow tungsten cathode was located outside the charge and outside the liquid metal mirror above the upper flange of the crucible, and set it in the position necessary for arc excitation, at a distance of 100 mm from the end of the cathode to the upper flange of the crucible. This arrangement of the plasma torch during the smelting of nickel alloys made it possible to obtain an alloy with a calculated tungsten content. After four similar melts carried out with a plasmatron vertically installed in the center of the crucible (before reconstruction of the furnace), the tungsten content in the alloy after the third and fourth melts exceeded the maximum allowable value by 6 and 7%, respectively, due to increased wear of the tungsten cathode of the plasmatron. In fact, this was the reason for the reconstruction of the furnace to change the position of the plasma torch and remove the cathode from the melting charge and the melt mirror.

Под тиглем устанавливали вращающийся литейный стол с изложницами с внутренним диаметром 50 мм каждая.A rotating casting table with molds with an inner diameter of 50 mm each was installed under the crucible.

Перед началом плавки камеру печи герметизировали и предварительно вакуумировали до 10-3 мм рт.ст. посредством откачки через патрубок, присоединенный к вакуумным насосам.Before melting, the furnace chamber was sealed and previously evacuated to 10 −3 mm Hg. by pumping through a pipe connected to vacuum pumps.

В качестве источника питания плазмотрона использовали тиристорный выпрямитель, плюсовой вывод которого с помощью гибкого охлаждаемого токоподвода присоединяли к поддону, размещенному в днище тигля. В результате металлическая шихта и расплавленный металл приобретали положительный потенциал и становились анодом. Минусовой полюс выпрямителя присоединяли к катододержателю плазмотрона. В результате вольфрамовый электрод плазмотрона приобретал отрицательный потенциал и становился катодом.A thyristor rectifier was used as a power source for the plasma torch, the positive output of which was connected to a pallet placed in the bottom of the crucible using a flexible, cooled current lead. As a result, the metal charge and molten metal acquired a positive potential and became the anode. The minus pole of the rectifier was connected to the cathode holder of the plasma torch. As a result, the tungsten electrode of the plasma torch acquired a negative potential and became a cathode.

Не прекращая откачку, через полый катод плазмотрона в печь подавали аргон с расходом 0,4 м3/час. Затем включали источник питания плазмотрона, кратковременно подключали осциллятор и зажигали дуговой разряд. С помощью плазмотрона за пределами шихты и формирующегося зеркала расплава создавали вакуумную плазменную дугу. Под воздействием встречно направленных магнитных полей основного электромагнита, расположенного непосредственно под катодом, и противоположно установленного ему дополнительного электромагнита формировали петлевую дугу, как показано на Фиг.2. Начинать плавки без использования основного магнитного поля, «сдувающего» дугу с верхнего фланца тигля, было невозможно, так как при увеличении силы тока дуга проплавляла фланец. В отсутствие же дополнительного магнитного поля дуга привязывалась к дальней стенке тигля.Without stopping pumping, argon was fed into the furnace through a hollow cathode of the plasma torch with a flow rate of 0.4 m 3 / h. Then they turned on the power source of the plasma torch, briefly connected the oscillator and ignited an arc discharge. Using a plasma torch, a vacuum plasma arc was created outside the charge and the forming melt mirror. Under the influence of counter-directional magnetic fields of the main electromagnet located directly below the cathode and the additional electromagnet opposite to it, a loop arc was formed, as shown in FIG. It was impossible to start melting without using the main magnetic field, "blowing" the arc from the upper flange of the crucible, since with increasing current strength the arc melted the flange. In the absence of an additional magnetic field, the arc was tied to the far wall of the crucible.

Далее с помощью переключателя поочередно, с интервалом 2 с включали верхние электромагниты (время включения одного электромагнита - 5 с), направляя дугу в разные сектора тигля, и расплавляли шихту на всей поверхности тигля, формируя ванну жидкого металла. При ручном управлении включением/отключением электромагнитов время полного расплавления шихты составляло 1,2 часа. Если установки времени включения электромагнитов задавали с помощью контроллера и работали в автоматическом режиме, время полного расплавления шихты составляло около 40 мин. Если сканирование не производили, время расплавления возрастало до 2 часов.Then, using the switch, the upper electromagnets were turned on alternately, with an interval of 2 s (the switching time of one electromagnet was 5 s), directing the arc to different sectors of the crucible, and the charge was melted on the entire surface of the crucible, forming a bath of molten metal. With manual control on / off of the electromagnets, the time of complete melting of the charge was 1.2 hours. If the settings for switching on the electromagnets were set using the controller and worked in automatic mode, the time for complete charge melting was about 40 minutes. If scanning was not performed, the melting time increased to 2 hours.

В период расплавления шихты ток дуги устанавливали и стабилизировали на уровне 6 кА. Давление в печи устанавливалось на уровне 10-1 мм рт.ст. Длина дуги в процессе плавления шихты изменялась за счет оседания шихты. Пропорционально длине дуги изменялось ее напряжение в пределах 30-45 В. Величину индукции магнитного поля основного электромагнита при токе дуги 6 кА устанавливали порядка 0,02 Тл, а величину индукции поля дополнительного электромагнита изменяли в прямо пропорциональной зависимости от напряжения дуги: при напряжении 30 В - 0,04 Тл, 35 В - 0,05 Тл, 45 В - 0,06 Тл. Система электромагнитов при этом обеспечивает не только управление плазменной дугой, но благодаря стабилизации формы дуги в магнитном поле также уменьшает вероятность рассредоточения дугового разряда и появления паразитных дуг, что имело место при работе плазмотрона, вертикально установленного над центральной частью тигля.During the melting of the charge, the arc current was set and stabilized at 6 kA. The pressure in the furnace was set at 10 -1 mm Hg. The length of the arc during the melting of the charge was changed due to the settling of the charge. In proportion to the arc length, its voltage varied within 30-45 V. The magnitude of the magnetic field induction of the main electromagnet at an arc current of 6 kA was set to 0.02 T, and the magnitude of the additional electromagnet field induction was changed in direct proportion to the arc voltage: at 30 V - 0.04 T, 35 V - 0.05 T, 45 V - 0.06 T. In this case, the system of electromagnets not only provides control of the plasma arc, but due to the stabilization of the shape of the arc in a magnetic field, it also reduces the likelihood of dispersion of the arc discharge and the appearance of spurious arcs, which occurred during the operation of a plasma torch vertically mounted above the central part of the crucible.

В процессе плавления шихты давление в печи постепенно возрастало от 10-1 до 1 мм рт.ст., «анодное пятно» дуги не достигало и середины тигля, поэтому величину индукции дополнительного магнитного поля корректировали - уменьшали до 0,03 Тл.During the melting of the charge, the pressure in the furnace gradually increased from 10 -1 to 1 mm Hg, the “anode spot” of the arc did not reach the middle of the crucible either, so the magnitude of the additional magnetic field was corrected — it was reduced to 0.03 T.

Время расплавления кусковой шихты с использованием указанных приемов управления дугой и корректировки магнитного поля не превышало 40 минут.The time of melting the lump charge using the indicated methods of arc control and magnetic field correction did not exceed 40 minutes.

Три плавки были проведены без использования системы электромагнитного перемешивания расплава. Химический состав сплава уже после второй плавки не соответствовал техническим условиям. Содержание ниобия оказалось меньше максимально допустимого значения почти на 5%, вольфрама - на 5%, что связано с обогащением этими элементами гарнисажа из-за отсутствия перемешивания расплава. Масса сливаемого металла без электромагнитного перемешивания расплава уменьшилась почти на 35%. Толщина гарнисажа после третьей плавки увеличилась до 35-45 мм в верхней части тигля, а в его нижней части образовался донный гарнисаж толщиной 50-70 мм. Кроме того, в верхней части тигля в районе сливного носка образовался нарост в виде козырька, нависшего над расплавленным металлом. При наличии козырька металл сливался мимо носка и не попадал в изложницу. Поэтому перед сливом металла козырек удаляли. Для этого отключали систему управления дугой, оставив включенным основной электромагнит для направления дуги на этот козырек, и в течение 5 минут оплавляли козырек дугой.Three swimming trunks were carried out without using the system of electromagnetic mixing of the melt. The chemical composition of the alloy after the second heat did not meet the technical conditions. The niobium content turned out to be less than the maximum allowable value by almost 5%, tungsten - by 5%, which is associated with the enrichment of these skull elements due to the lack of melt mixing. The mass of the merged metal without electromagnetic mixing of the melt decreased by almost 35%. The thickness of the skull after the third melting increased to 35-45 mm in the upper part of the crucible, and a bottom skull with a thickness of 50-70 mm was formed in its lower part. In addition, in the upper part of the crucible in the area of the drain sock, a buildup was formed in the form of a visor hanging over the molten metal. In the presence of a visor, the metal merged past the sock and did not fall into the mold. Therefore, before draining the metal, the visor was removed. To do this, the arc control system was turned off, leaving the main electromagnet turned on to direct the arc to this visor, and the visor was fused with an arc for 5 minutes.

Остальные 16 плавок были проведены при согласованной работе системы электромагнитного перемешивания расплава и системы электромагнитного управления дугой. Работу проводили следующим образом.The remaining 16 heats were carried out with the coordinated operation of the system of electromagnetic mixing of the melt and the system of electromagnetic control of the arc. The work was carried out as follows.

После образования ванны жидкого металла для размывания донных и периферийных слоев шихты и усреднения температуры расплава металл выдерживали в жидком состоянии в течение 0,5 часа, подогревая поверхность ванны плазменной дугой, продолжая перемешивание расплава и сканирование дуги.After the formation of a molten metal bath to erode the bottom and peripheral layers of the charge and averaging the melt temperature, the metal was kept in a liquid state for 0.5 hours, heating the bath surface with a plasma arc, continuing mixing of the melt and scanning the arc.

Для перемешивания расплава в вертикальной плоскости посредством создания вертикально направленных потоков жидкого металла магнитные поля нижних электромагнитов ориентировали тангенциально по отношению к внутренней поверхности тигля.To mix the melt in a vertical plane by creating vertically directed flows of liquid metal, the magnetic fields of the lower electromagnets were oriented tangentially with respect to the inner surface of the crucible.

Для перемешивания расплава в горизонтальной плоскости посредством создания вращательного движения потоков жидкого металла относительно вертикальной оси тигля магнитные поля нижних электромагнитов ориентировали вертикально.To mix the melt in the horizontal plane by creating a rotational movement of the flows of liquid metal relative to the vertical axis of the crucible, the magnetic fields of the lower electromagnets were oriented vertically.

Величину индукции магнитного поля нижних электромагнитов при перемешивании расплава в вертикальной плоскости увеличивали постепенно до появления на поверхности зеркала расплава выпуклости сферической формы и далее поддерживали на этом уровне (примерно 0,03-0,04 Тл при токе дуги 6 кА). Периодическое переключение нижних электромагнитов приводило к образованию выпуклостей в разных секторах тигля с расплавом, что визуально выглядело, как перемещение выпуклости по поверхности расплава. Дугу при этом направляли в верхнюю часть выпуклости. Это делалось в автоматическом режиме с помощью контроллера, по сути представляющего собой переключатель, обозначенный позицией 26 на Фиг.1. С помощью такого переключателя электромагниты включались попарно. В зависимости от номера включенного нижнего электромагнита контроллер включал верхний электромагнит с соответствующим номером, магнитное поле которого обеспечивало направление дуги в тот сектор тигля (ванны), в котором существовала выпуклость. Во избежание взаимного влияния верхних и нижних полей и их искажения нижние и верхние электромагниты включали не одновременно, а поочередно. Установку времени включения электромагнитов задавали с помощью контроллера. Нижний электромагнит включали на 15 секунд, а парный с ним верхний электромагнит включали на 10 секунд сразу же после выключения нижнего электромагнита. Затем вновь на 15 секунд включали нижний электромагнит и вслед за ним на 10 секунд включали верхний электромагнит и т.д. Суммарное время работы одной пары электромагнитов устанавливали 200 секунд. Далее первую пару электромагнитов отключали и включали вторую пару. Поочередное включение верхних и нижних электромагнитов возможно в связи с большой инерционностью движения потоков расплавленного металла. Существование выпуклости после отключения нижних электромагнитов системы перемешивания продолжается примерно 10 секунд.The magnitude of the magnetic field induction of the lower electromagnets while stirring the melt in a vertical plane was gradually increased until a convexity of a spherical shape appeared on the surface of the melt mirror and was further maintained at this level (approximately 0.03-0.04 T at an arc current of 6 kA). Periodic switching of the lower electromagnets led to the formation of bulges in different sectors of the crucible with the melt, which visually looked like the movement of the bulge along the surface of the melt. The arc was directed to the upper part of the bulge. This was done automatically using a controller, which essentially is a switch, indicated by 26 in FIG. 1. With the help of such a switch, the electromagnets are switched on in pairs. Depending on the number of the lower electromagnet turned on, the controller included an upper electromagnet with the corresponding number, the magnetic field of which ensured the direction of the arc to that sector of the crucible (bath) in which the bulge existed. In order to avoid the mutual influence of the upper and lower fields and their distortions, the lower and upper electromagnets were switched on not simultaneously, but alternately. The setting of the on-time of the electromagnets was set using the controller. The lower electromagnet was turned on for 15 seconds, and the upper electromagnet paired with it was turned on for 10 seconds immediately after the lower electromagnet was turned off. Then, the lower electromagnet was turned on again for 15 seconds, and the upper electromagnet was turned on for 10 seconds, etc. The total operating time of one pair of electromagnets was set to 200 seconds. Next, the first pair of electromagnets was turned off and the second pair was turned on. The alternate inclusion of the upper and lower electromagnets is possible due to the large inertia of the movement of the flows of molten metal. The existence of a bulge after disconnecting the lower electromagnets of the mixing system lasts approximately 10 seconds.

При перемешивании (вращении) расплава в горизонтальной плоскости системы электромагнитного управления работают так же, как и при перемешивании расплава в вертикальной плоскости. Отличием является то, что контроллер включает пары электромагнитов с другими номерами, которые обеспечивают встречное направление дуги по отношению к вращающемуся инерционному потоку жидкого металла. Установки интервалов времени включения электромагнитов были одинаковыми в обоих режимах перемешивания.When mixing (rotating) the melt in the horizontal plane, the electromagnetic control systems operate in the same way as when mixing the melt in the vertical plane. The difference is that the controller includes pairs of electromagnets with other numbers, which provide the opposite direction of the arc with respect to the rotating inertial flow of liquid metal. The settings of the intervals for switching on the electromagnets were the same in both mixing modes.

Плавки шихты проводили в гарнисаже из отходов выплавляемого сплава, заранее наплавленном на стенки тигля. Толщина гарнисажа в верхней части тигля после первой плавки составляла 20-30 мм.Smelting of the charge was carried out in a skull of waste waste alloy, pre-fused to the walls of the crucible. The thickness of the skull in the upper part of the crucible after the first melting was 20-30 mm.

Расплавленный в тигле металл сливали в изложницы, установленные на поворотном литейном столе. Коэффициент слива был близок к единице, т.е. масса слитого металла в среднем равнялась массе загруженной шихты (отклонения на каждой плавке не превышали 10%). Полученные отливки диаметром 50 мм, общим весом около 200 кг разрезали для изучения макро- и микроструктуры. Содержание кислорода определяли нейтронно-активационным методом на темплетах, вырезанных из центральной части отлитых стержней, содержание азота - методом вакуумного плавления.The molten metal in the crucible was poured into molds mounted on a rotary casting table. The discharge coefficient was close to unity, i.e. the mass of the fused metal on average was equal to the mass of the loaded charge (deviations on each heat did not exceed 10%). The resulting castings with a diameter of 50 mm and a total weight of about 200 kg were cut to study macro- and microstructure. The oxygen content was determined by the neutron activation method on templates cut from the central part of the cast rods, the nitrogen content was determined by vacuum melting.

При проведении плавок по описанной выше технологии наблюдалось соответствие между расчетными и экспериментальными данными. Плавки проводили с введением в завалку до 0,3% углерода. Куски алюминия и титана загружали в тигель из дозатора через 5-10 мин после получения расплава и его дегазации.When conducting heats according to the technology described above, a correspondence was observed between the calculated and experimental data. Smelting was carried out with the introduction of filling up to 0.3% carbon. Pieces of aluminum and titanium were loaded into the crucible from the dispenser 5-10 minutes after receiving the melt and its degassing.

Содержание кислорода в расплаве до присадки активных элементов составляло 0,025-0,04%, в готовом сплаве - 0,015-0,030%.The oxygen content in the melt before the addition of active elements was 0.025-0.04%, in the finished alloy - 0.015-0.030%.

Были проведены две плавки с подачей в завалку плавикового шпата в количестве 0,5% от всей шихты. После образования жидкой ванны поверхность расплава покрывалась плотным слоем малоподвижного шлака, оттесняемого плазменной дугой. Если перед сливом с помощью электромагнитной системы «анодное пятно» смещали к сливному носку, а затем постепенно сливали расплав, то шлак частично оставался в тигле, частично уходил с последней порцией металла, не попадая в тело отливки. Это позволило значительно снизить загрязнение расплава неметаллическими включениями и уменьшить содержание кислорода до 0,005-0,006%. Содержание азота при этом составляло 0,0022- 0,0027%. Аналогичное содержание кислорода имеет место в подобных отливках, получаемых методом вакуумно-индукционной плавки.Two melts were carried out with the feeding of fluorspar in the amount of 0.5% of the total charge. After the formation of a liquid bath, the surface of the melt was covered with a dense layer of inactive slag displaced by the plasma arc. If before draining with the help of an electromagnetic system the “anode spot” was shifted to the drain toe, and then the melt was gradually drained, then the slag partially remained in the crucible, partially left with the last portion of the metal without getting into the body of the casting. This made it possible to significantly reduce the pollution of the melt by non-metallic inclusions and reduce the oxygen content to 0.005-0.006%. The nitrogen content in this case was 0.0022-0.0027%. A similar oxygen content occurs in similar castings obtained by vacuum induction melting.

Пример 2. Переплав отходов титановых сплавов.Example 2. Remelting waste titanium alloys.

Проводили плавки титановых сплавов в вакуумно-плазменной печи с гарнисажным тиглем с внутренним диаметром 400 мм и вакуумным плазмотроном, вертикально установленным по центру тигля. При отсутствии системы отклонения дуги и электромагнитного перемешивания расплава по мере проведения плавок толщина гарнисажа постепенно увеличивалась, в верхней части тигля сформировался нарост в виде козырька, который затруднял слив металла посредством поворота тигля. При теоретической загрузке шихты массой 60 кг масса сливаемого из тигля металла составляла 15-20 кг. В полученном сплаве после пятой плавки было обнаружено содержание вольфрама 0,15%. После девятой плавки содержание вольфрама в сплаве достигло 0,2%. При этом можно было визуально видеть износ полого вольфрамового катода, форма которого была изменена, а на его поверхности был виден оплавленный слой металла. При постукивании по поверхности катода слой легко осыпался. В связи с этим проведение плавок было прекращено.Titanium alloys were melted in a vacuum-plasma furnace with a skull plate with an inner diameter of 400 mm and a vacuum plasmatron vertically mounted in the center of the crucible. In the absence of a system of arc deflection and electromagnetic mixing of the melt as the melt was carried out, the thickness of the skull gradually increased; in the upper part of the crucible a build-up appeared in the form of a visor, which made it difficult to drain the metal by turning the crucible. In theoretical loading of a charge weighing 60 kg, the mass of the metal poured from the crucible was 15-20 kg. After the fifth melting, the tungsten content of 0.15% was found in the obtained alloy. After the ninth smelting, the tungsten content in the alloy reached 0.2%. In this case, it was possible to visually see the wear of a hollow tungsten cathode, the shape of which was changed, and a melted metal layer was visible on its surface. When tapped on the cathode surface, the layer easily crumbled. In this regard, the conduct of swimming trunks was discontinued.

После реконструкции печи на оборудовании, описанном в примере 1, проводили переплав кондиционных литейных отходов титанового сплава ВТ-5л. Шихта состояла из прибыльных частей отливок, стояков, литников и т.п. Перед переплавом окисленную поверхность порезанных отходов очищали посредством галтовки и дробеструйной обработки. Кроме того, отходы промывали в горячей воде и растворе щелочи, а затем сушили в сушильном шкафу.After the reconstruction of the furnace using the equipment described in example 1, the VT-5l titanium alloy conditioned casting waste was remelted. The mixture consisted of profitable parts of castings, risers, sprues, etc. Before remelting, the oxidized surface of the cut waste was cleaned by tumbling and bead-blasting. In addition, the waste was washed in hot water and an alkali solution, and then dried in an oven.

Кусковые титановые отходы загружали в тигель «горкой», вершину которой сдвигали от центра тигля в сторону наклонного катода, установленного над верхним фланцем тигля вне шихты и зеркала жидкого металла.Lump titanium waste was loaded into the crucible with a slide, the top of which was shifted from the center of the crucible to the side of the inclined cathode mounted above the upper flange of the crucible outside the charge and the liquid metal mirror.

Камеру печи предварительно откачивали до 10-4 мм рт.ст.The furnace chamber was previously evacuated to 10 -4 mm Hg.

Перед зажиганием дуги магнитное поле основного электромагнита устанавливали порядка 0,015 Тл, а поле дополнительного электромагнита - 0,03 Тл. Расход аргона в начале плавки устанавливали 0,1 м3/час, силу тока вакуумной плазменной дуги стабилизировали на уровне 5 кА. В этих условиях давление в камере печи устанавливалось на уровне 5·10-2 мм рт.ст.Before igniting the arc, the magnetic field of the main electromagnet was set to about 0.015 T, and the field of the additional electromagnet was 0.03 T. The argon flow rate at the start of smelting was set to 0.1 m 3 / h; the current strength of the vacuum plasma arc was stabilized at 5 kA. Under these conditions, the pressure in the furnace chamber was set at 5 · 10 -2 mm RT.article.

Время формирования ванны не превышало 2 минут. После расплавления шихты расход аргона снижали до 0,05 м3/час, а величину индукции основного магнитного поля уменьшали до 0,01 Тл. Примерно через 5 минут плавки после оседания шихты длина дуги стабилизировалась на уровне 250 мм, однако напряжение дуги постепенно возрастало с 40 до 65 вольт, так как давление в печи постепенно уменьшалось от 5·10-2 до 5·10-3 мм рт.ст. Поэтому во избежание горения дуги только в секторе тигля, находящемся вблизи катода, величину индукции дополнительного магнитного поля корректировали - уменьшали до 0,02 Тл.The bath formation time did not exceed 2 minutes. After melting the charge, the argon consumption was reduced to 0.05 m 3 / h, and the magnitude of the main magnetic field induction was reduced to 0.01 T. After about 5 minutes of melting after the charge was deposited, the arc length stabilized at 250 mm, however, the arc voltage gradually increased from 40 to 65 volts, since the pressure in the furnace gradually decreased from 5 · 10 -2 to 5 · 10 -3 mm Hg . Therefore, in order to avoid arc burning only in the crucible sector, located near the cathode, the magnitude of the additional magnetic field induction was adjusted - reduced to 0.02 T.

Перемешивание расплава производили аналогично Примеру 1. Нижние электромагниты включали согласованно с верхними (парами) с помощью переключателя и контроллера. Для перемешивания расплава в вертикальной плоскости индукцию магнитного поля нижних электромагнитов увеличивали до момента появления на поверхности зеркала расплава выпуклости сферической формы. При плавке титановых сплавов для этого требовалась индукция 0,04-0,05 Тл. Нижний электромагнит включали на 10 секунд, а парный с ним верхний электромагнит включали на 5 секунд. Затем вновь на 15 секунд включали этот же нижний электромагнит и вслед за ним на 5 секунд включали тот же верхний электромагнит и т.д. Суммарное время работы одной пары электромагнитов устанавливали 90 секунд.Mixing of the melt was carried out similarly to Example 1. The lower electromagnets were turned on in coordination with the upper ones (pairs) using a switch and a controller. To mix the melt in the vertical plane, the magnetic field induction of the lower electromagnets was increased until a spherical convexity appeared on the surface of the melt mirror. When melting titanium alloys, this required induction of 0.04-0.05 T. The lower electromagnet was turned on for 10 seconds, and the upper electromagnet paired with it was turned on for 5 seconds. Then again, for 15 seconds, the same lower electromagnet was turned on, and after it, for 5 seconds, the same upper electromagnet was turned on, etc. The total operating time of one pair of electromagnets was set to 90 seconds.

С помощью такого переключателя электромагниты включались попарно. В зависимости от номера включенного нижнего электромагнита контроллер включал верхний электромагнит с соответствующим номером, магнитное поле которого обеспечивало направление дуги в тот сектор тигля (ванны), в котором существовала выпуклость. Во избежание взаимного влияния верхних и нижних полей и их искажения нижние и верхние электромагниты включали не одновременно, а поочередно. Установки времени включения электромагнитов задавали с помощью контроллера. Нижний электромагнит включали на 10 секунд, а парный с ним верхний электромагнит включали на 5 секунд сразу же после выключения нижнего электромагнита. Затем вновь на 10 секунд включали нижний электромагнит и вслед за ним на 5 секунд включали верхний электромагнит и т.д. Суммарное время работы одной пары электромагнитов устанавливали 90 секунд. Далее первую пару электромагнитов отключали и включали вторую пару. Поочередное включение верхних и нижних электромагнитов возможно в связи с большой инерционностью движения потоков расплавленного металла. Существование выпуклости после отключения нижних электромагнитов системы перемешивания продолжается до 8 секунд.With the help of such a switch, the electromagnets are switched on in pairs. Depending on the number of the lower electromagnet turned on, the controller included an upper electromagnet with the corresponding number, the magnetic field of which ensured the direction of the arc to that sector of the crucible (bath) in which the bulge existed. In order to avoid the mutual influence of the upper and lower fields and their distortions, the lower and upper electromagnets were switched on not simultaneously, but alternately. The settings for turning on the electromagnets were set using the controller. The lower electromagnet was turned on for 10 seconds, and the upper electromagnet paired with it was turned on for 5 seconds immediately after the lower electromagnet was turned off. Then, the lower electromagnet was turned on again for 10 seconds, and the upper electromagnet was turned on for 5 seconds, etc. The total operating time of one pair of electromagnets was set to 90 seconds. Next, the first pair of electromagnets was turned off and the second pair was turned on. The alternate inclusion of the upper and lower electromagnets is possible due to the large inertia of the movement of the flows of molten metal. The existence of a bulge after disconnecting the lower electromagnets of the mixing system lasts up to 8 seconds.

Перемешивание (вращение) расплава в горизонтальной плоскости проводили с теми же установками времени, организовывая встречное направление дуги по отношению к вращающимся потокам жидкого металла. При этом вместо электромагнитов использовали охватывающие тигель соленоиды без сердечника (как показано на фиг.2, поз.15). Соленоиды включали последовательно и согласно друг с другом. Для формирования вращения металла с помощью соленоида требовалась индукция 0,01-0,02 Тл вблизи внутренней поверхности тигля.Mixing (rotation) of the melt in the horizontal plane was carried out with the same time settings, organizing the opposite direction of the arc with respect to the rotating flows of liquid metal. In this case, instead of electromagnets, coreless solenoids covering the crucible were used (as shown in FIG. 2, item 15). The solenoids are turned on sequentially and in accordance with each other. For the formation of metal rotation using a solenoid, induction of 0.01-0.02 T was required near the inner surface of the crucible.

Выдержку металла в жидком состоянии проводили в течение 10 минут, после чего производили слив металла, поворачивая тигель.Exposure of the metal in the liquid state was carried out for 10 minutes, after which the metal was drained by turning the crucible.

Масса сливаемого металла примерно равнялась массе загружаемой шихты и составляла 60±5 кг.The mass of the metal to be drained was approximately equal to the mass of the charged charge and amounted to 60 ± 5 kg.

В таблице 1 приведен химический состав полученного сплава.Table 1 shows the chemical composition of the obtained alloy.

№ плавкиNo. of swimming trunks AlAl SiSi OO HH NN MoMo FeFe VV 1one 5,225.22 0,0920,092 0,120.12 0,0100.010 0,030,03 <0,5<0.5 0,120.12 не обн.not upd. 22 6,126.12 0,0860,086 0,160.16 0,0120.012 0,020.02 <0,5<0.5 0,110.11 не обн.not upd. 33 6,106.10 0,1280.128 0,110.11 0,0100.010 0,020.02 <0,5<0.5 0,10.1 не обн.not upd. 4four 6,126.12 0,1340.134 0,120.12 0,0100.010 0,030,03 <0,5<0.5 0,120.12 не обн.not upd. НормаNorm 4,1-6,24.1-6.2 <0,15<0.15 <0,22<0.22 <0,03<0.03 <0,05<0.05 <0,8<0.8 <0,3<0.3 <1,2<1.2

Содержание вольфрама и меди в полученных отливках обнаружено не было. Лишь после плавки №2 в сплаве были зафиксированы «следы» вольфрама и меди.The content of tungsten and copper in the obtained castings was not found. Only after melting No. 2 in the alloy were “traces” of tungsten and copper fixed.

Ручная регулировка поля электромагнитов не была достаточно эффективной, так как в процессе плавки одновременно изменялись сразу несколько параметров. Длина дуги и ее напряжение изменялись в связи с оседанием шихты, давление в печи - в связи с напуском аргона в печь через плазмотрон, расход аргона изменяли для снижения давления перед сливом металла и уменьшения его окисления одновременным напуском в печь аргона и, соответственно, увеличением. Оператору было трудно быстро понять причину изменения напряжения, что приводило к ошибкам. В результате дуга отклонялась либо слишком сильно, либо слишком слабо. Автоматическая корректировка полей электромагнитов с использованием датчика давления позволяла своевременно корректировать индукцию магнитного поля дополнительного электромагнита.Manual adjustment of the field of electromagnets was not sufficiently effective, since several parameters were simultaneously changed during the smelting process. The length of the arc and its voltage changed due to the settling of the charge, the pressure in the furnace - due to the injection of argon into the furnace through a plasma torch, the flow rate of argon was changed to reduce the pressure before draining the metal and reduce its oxidation by simultaneously injecting argon into the furnace and, accordingly, increasing it. It was difficult for the operator to quickly understand the cause of the voltage change, which led to errors. As a result, the arc deflected either too much or too weakly. Automatic adjustment of the fields of electromagnets using a pressure sensor made it possible to timely correct the magnetic field induction of an additional electromagnet.

Таким образом, заявляемая совокупность существенных признаков обеспечивает точное воспроизведение заданного химического состава и структуры получаемых сплавов за счет проведения процесса плавки по заданной технологии. При этом гарнисаж устраняет непосредственный контакт жидкого металла с материалом тигля, исключает их взаимодействие и загрязнение выплавляемого сплава материалом тигля, а применение независимых источников нагрева в вакуумно-дуговых гарнисажных печах позволяет загружать в тигель кусковую шихту, обеспечивать необходимый перегрев и жидкотекучесть расплава, длительную выдержку металла в жидком состоянии, сохранение в сплаве легирующих компонентов за счет возможности их более позднего введения в расплав и полное усреднение состава сплава, а также вовлечение в процесс плавки кусковых отходов. Использование в качестве катода вакуумного плазмотрона создает, кроме этого, возможность создания нейтральной, окислительной или восстановительной атмосферы, а также плавное регулирование мощности нагрева и давления в камере печи. Размещение в таких печах катода за пределами зеркала расплава, т.е. на периферии печи, позволяет избежать загрязнения расплава нежелательными примесями и повышает его качество. Кроме этого заявляемая совокупность существенных признаков позволяет выполнить тигель поворотным, что дает возможность осуществлять слив металла с регулируемой скоростью. Перемешивание расплава интенсифицирует процесс плавления и повышает его однородность. Эффективность перемешивания расплава здесь повышается также за счет направления дуги в зону ее оптимального контакта с расплавляемой шихтой. Это приводит к повышению интенсивности перемешивания жидкого металла, к повышению качества приготовляемого сплава и производительности процесса. Эти преимущества являются чрезвычайно важными при переплаве отходов или многокомпонентной кусковой шихты металлов, обладающих различными физическими и технологическими свойствами, а также химически активных металлов и их сплавов.Thus, the claimed combination of essential features provides accurate reproduction of a given chemical composition and structure of the resulting alloys due to the melting process according to a given technology. At the same time, the skull eliminates direct contact of liquid metal with the crucible material, eliminates their interaction and contamination of the melted alloy by the crucible material, and the use of independent heat sources in vacuum arc skull furnaces allows loading a lump charge into the crucible, ensuring the necessary overheating and fluidity of the melt, and long metal exposure in a liquid state, preservation of alloying components in the alloy due to the possibility of their later introduction into the melt and complete averaging of the composition of Av, and involvement in the process of melting lumpy waste. The use of a vacuum plasma torch as a cathode also creates the possibility of creating a neutral, oxidizing or reducing atmosphere, as well as smooth control of the heating power and pressure in the furnace chamber. Placing the cathode in such furnaces outside the melt mirror, i.e. on the periphery of the furnace, it avoids contamination of the melt with undesirable impurities and improves its quality. In addition, the claimed combination of essential features makes it possible to make the crucible rotary, which makes it possible to discharge metal at an adjustable speed. Mixing of the melt intensifies the melting process and increases its uniformity. The melt mixing efficiency here also increases due to the direction of the arc in the zone of its optimal contact with the molten charge. This leads to an increase in the intensity of mixing of the liquid metal, to an increase in the quality of the alloy being prepared and the productivity of the process. These advantages are extremely important in the remelting of waste or a multicomponent lump mixture of metals having various physical and technological properties, as well as chemically active metals and their alloys.

Claims (23)

1. Способ вакуумно-дуговой плавки химически активных металлов и сплавов на их основе в гарнисажной печи, включающий загрузку шихты в водоохлаждаемый гарнисажный тигель, создание вакуума в камере печи, расплавление шихты в условиях вакуума с помощью дугового разряда и слив полученного расплава в изложницы, отличающийся тем, что расплавление шихты осуществляют с помощью вакуумной плазменной дуги, образованной дуговым разрядом вакуумного плазмотрона, и воздействуют на нее и расплав металла магнитными полями от верхних и нижних групп электромагнитов, при этом верхней группой электромагнитов создают встречные друг другу основное и дополнительное магнитные поля, обеспечивающие управление формированием, отклонением и перемещением вакуумной плазменной дуги, а нижней группой электромагнитов осуществляют перемешивание расплава в горизонтальной и вертикальной плоскостях, причем при перемешивании расплава в вертикальной плоскости на поверхности зеркала расплава формируют выпуклости, а при перемешивании расплава в горизонтальной плоскости создают вращение расплава относительно вертикальной оси гарнисажного тигля, при этом формирование вакуумной плазменной дуги осуществляют путем вытягивания основным магнитным полем столба дуги из межэлектродного промежутка с образованием петли между вакуумным плазмотроном и ванной расплава с помощью дополнительного магнитного поля, перемещение дуги при перемешивании расплава в горизонтальной плоскости осуществляют навстречу движению расплава, а при перемешивании расплава в вертикальной плоскости - в места образования выпуклостей, причем в процессе плавки осуществляют корректировку величин индукций основного и дополнительного магнитных полей, а перед сливом полученного расплава в изложницы его выдерживают в гарнисажном тигле 0,05-0,5 часа.1. The method of vacuum-arc melting of chemically active metals and alloys based on them in a skull furnace, comprising loading the charge into a water-cooled skull crucible, creating a vacuum in the furnace chamber, melting the charge in a vacuum using an arc discharge and draining the melt into molds, different the fact that the charge is melted using a vacuum plasma arc formed by the arc discharge of a vacuum plasma torch, and the metal melt is also affected by magnetic fields from the upper and lower electron groups of magnets, while the upper group of electromagnets create opposing primary and secondary magnetic fields that control the formation, deflection and movement of the vacuum plasma arc, and the lower group of electromagnets mix the melt in horizontal and vertical planes, and when the melt is mixed in a vertical plane on the surface the melt mirrors form bulges, and when the melt is mixed in a horizontal plane, the melt rotates relative to along the vertical axis of the crucible of the skull, while the formation of the vacuum plasma arc is carried out by pulling the main magnetic field of the column of the arc from the interelectrode gap with the formation of a loop between the vacuum plasmatron and the bath of the melt using an additional magnetic field, moving the arc while mixing the melt in the horizontal plane is directed towards the movement of the melt , and when the melt is mixed in a vertical plane, to the places where the bulges are formed, moreover, during melting, Correction of the magnitude of the induction of the main and additional magnetic fields is called for, and before draining the obtained melt into the molds it is kept in a skull crucible for 0.05-0.5 hours. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину индукции магнитного поля нижней группы электромагнитов, обеспечивающих перемешивание расплава в вертикальной плоскости, увеличивают до момента появления на поверхности зеркала расплава выпуклости, преимущественно сферической формы.2. The method according to claim 1, characterized in that the magnitude of the magnetic field induction of the lower group of electromagnets providing melt mixing in the vertical plane is increased until a bulge, mainly spherical, appears on the surface of the melt mirror. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину индукции основного магнитного поля верхней группы электромагнитов, пропорциональную силе тока дуги, корректируют по расходу плазмообразующего газа в ручном или автоматическом режимах.3. The method according to claim 1, characterized in that the magnitude of the induction of the main magnetic field of the upper group of electromagnets, proportional to the strength of the arc current, is adjusted for the flow of plasma-forming gas in manual or automatic modes. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что величину индукции основного магнитного поля верхней группы электромагнитов увеличивают на 10-30% при повышении расхода плазмообразующего газа от 0,1 до 10 м3/ч, а при снижении расхода плазмообразующего газа от 0,1 до 0,05 м3/ч величину индукции основного магнитного поля уменьшают на 20-40%.4. The method according to claim 3, characterized in that the magnitude of the induction of the main magnetic field of the upper group of electromagnets is increased by 10-30% with an increase in the consumption of plasma-forming gas from 0.1 to 10 m 3 / h, and with a decrease in the consumption of plasma-forming gas from 0 , 1 to 0.05 m 3 / h the magnitude of the induction of the main magnetic field is reduced by 20-40%. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину индукции дополнительного магнитного поля верхней группы электромагнитов, пропорциональную напряжению дуги, корректируют по давлению в камере печи в ручном режиме.5. The method according to claim 1, characterized in that the magnitude of the induction of an additional magnetic field of the upper group of electromagnets, proportional to the arc voltage, is adjusted according to the pressure in the furnace chamber in manual mode. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что величину индукции дополнительного магнитного поля верхней группы электромагнитов увеличивают на 10-30% при повышении давления в камере печи от 10-1 до 1 мм рт.ст., а при снижении давления в камере печи от 10-1 до 10-3 мм рт.ст. величину индукции дополнительного магнитного поля уменьшают на 30-60%.6. The method according to claim 5, characterized in that the magnitude of the induction of an additional magnetic field of the upper group of electromagnets is increased by 10-30% when the pressure in the furnace chamber increases from 10 -1 to 1 mm Hg, and when the pressure in the chamber decreases furnaces from 10 -1 to 10 -3 mm Hg the magnitude of the induction of the additional magnetic field is reduced by 30-60%. 7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что в процессе плавки осуществляют контролируемое регулирование силы тока дуги, расхода плазмообразующего газа, давления в печи, длины дуги и величин индукций магнитных полей электромагнитов.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that in the smelting process a controlled regulation of the arc current, the plasma gas flow rate, the pressure in the furnace, the arc length and the magnitude of the magnetic field induction of the electromagnets is carried out. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при загрузке шихты в тигель сначала загружают тугоплавкие компоненты сплава, а его легкоплавкие составляющие подают в тигель в конце плавки.8. The method according to claim 1, characterized in that when loading the charge into the crucible, the refractory alloy components are first loaded, and its fusible components are fed into the crucible at the end of the melting. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в камере печи перед началом плавки создают вакуум 10-3-10-4 мм рт.ст., а в процессе плавки вакуум изменяют от 10-3 до 1 мм рт.ст.9. The method according to claim 1, characterized in that a vacuum of 10 −3 −10 −4 mm Hg is created in the furnace chamber before starting to melt, and during the smelting process, the vacuum is varied from 10 −3 to 1 mm Hg. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед сливом расплава из тигля обеспечивают отклонение вакуумной плазменной дуги в место образования нароста на гарнисаже для его удаления.10. The method according to claim 1, characterized in that before the discharge of the melt from the crucible, the vacuum plasma arc is deflected to the place of formation of the growth on the skull to remove it. 11. Устройство для вакуумно-дуговой плавки химически активных металлов и сплавов на их основе в гарнисажной печи, содержащее вакуумную камеру гарнисажной печи, в которой размещены плавильная емкость в виде водоохлаждаемого гарнисажного тигля, расположенную под тиглем по крайней мере одну изложницу и расположенный над тиглем катододержатель с катодом, отличающееся тем, что катод выполнен в виде вакуумного плазмотрона, имеющего возможность превращения плазмообразующего газа в плазму в условиях вакуума с образованием вакуумной плазменной дуги, при этом вакуумный плазмотрон установлен под углом относительно вертикальной оси гарнисажного тигля и расположен на его периферии вне зеркала расплава, а печь снабжена системами электромагнитного управления вакуумной плазменной дугой и перемешивания расплава в виде верхней и нижней групп электромагнитов, при этом верхняя группа электромагнитов предназначена для вытягивания дуги из межэлектродного промежутка, формирования ее в виде петли и перемещения из одного сектора тигля в другой, установлена выше отметки максимально допустимого уровня расплава в тигле и содержит основные и дополнительные магниты, создающие встречно направленные магнитные поля, а нижняя группа электромагнитов предназначена для управления электромагнитным перемешиванием расплава в горизонтальной и вертикальной плоскостях, расположена ниже отметки максимально допустимого уровня расплава в тигле и содержит магниты, создающие тангенциально направленные магнитные поля к внутренней поверхности гарнисажного тигля.11. Device for vacuum-arc melting of chemically active metals and alloys based on them in a skull furnace, containing a vacuum chamber of the skull furnace, in which a melting tank in the form of a water-cooled skull skull is located, at least one mold is located under the crucible and the cathode holder is located above the crucible with a cathode, characterized in that the cathode is made in the form of a vacuum plasmatron having the ability to convert a plasma-forming gas into a plasma under vacuum with the formation of a vacuum plasma arc, while the vacuum plasmatron is installed at an angle relative to the vertical axis of the skull crucible and is located on its periphery outside the melt mirror, and the furnace is equipped with electromagnetic control systems for the vacuum plasma arc and mixing the melt in the form of upper and lower groups of electromagnets, while the upper group of electromagnets is designed for pulling the arc from the interelectrode gap, forming it in the form of a loop and moving from one sector of the crucible to another, the maximum the active level of the melt in the crucible and contains the main and additional magnets that create counter-directional magnetic fields, and the lower group of electromagnets is designed to control the electromagnetic stirring of the melt in horizontal and vertical planes, located below the maximum permissible level of the melt in the crucible and contains magnets that create tangentially directed magnetic fields to the inner surface of the skull plate. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что вакуумный плазмотрон изготовлен из тугоплавкого термоэмиссионного материала, например, вольфрама.12. The device according to claim 11, characterized in that the vacuum plasmatron is made of a refractory thermionic material, for example, tungsten. 13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что катододержатель выполнен медным и водоохлаждаемым и имеет осевое отверстие для подачи плазмообразующего газа, например, аргона.13. The device according to claim 11, characterized in that the cathode holder is made of copper and water-cooled and has an axial hole for supplying a plasma-forming gas, for example, argon. 14. Устройство по п.11, отличающееся тем, что вакуумная камера печи содержит патрубок откачки газа, присоединяемый к вакуумным насосам.14. The device according to claim 11, characterized in that the vacuum chamber of the furnace contains a pipe for pumping gas, connected to vacuum pumps. 15. Устройство по п.11, отличающееся тем, что вакуумный плазмотрон и водоохлаждаемый гарнисажный тигель подключены к источнику постоянного тока с помощью гибких токоподводов.15. The device according to claim 11, characterized in that the vacuum plasmatron and the water-cooled skull plate are connected to a constant current source using flexible current leads. 16. Устройство по п.11, отличающееся тем, что отметка максимально допустимого уровня расплава в тигле расположена, по крайней мере, на 50-100 мм ниже его верхней кромки.16. The device according to claim 11, characterized in that the mark of the maximum permissible level of the melt in the crucible is located at least 50-100 mm below its upper edge. 17. Устройство по п.11, отличающееся тем, что часть электромагнитов нижней группы, обеспечивающих управление электромагнитным перемешиванием расплава в горизонтальной плоскости, выполнена в виде соленоидов, представляющих собой охватывающие тигель обмотки, расположенные в охлаждаемой зоне тигля.17. The device according to claim 11, characterized in that the part of the electromagnets of the lower group that control the electromagnetic mixing of the melt in the horizontal plane is made in the form of solenoids, which are windings covering the crucible located in the cooled zone of the crucible. 18. Устройство по п.11, отличающееся тем, что обмотки верхней и нижней групп электромагнитов подсоединены к источнику питания с помощью гибкого токоподвода и связаны между собой через переключатель, обеспечивающий их согласованную и попеременную работу в автоматическом режиме.18. The device according to claim 11, characterized in that the windings of the upper and lower groups of electromagnets are connected to the power source using a flexible current supply and are interconnected via a switch, ensuring their coordinated and alternating operation in automatic mode. 19. Устройство по п.11, отличающееся тем, что водоохлаждаемый гарнисажный тигель выполнен из меди.19. The device according to claim 11, characterized in that the water-cooled skull plate is made of copper. 20. Устройство по п.11, отличающееся тем, что водоохлаждаемый гарнисажный тигель выполнен с возможностью перемещения и содержит сливной носок.20. The device according to claim 11, characterized in that the water-cooled skull plate is movable and contains a drain toe. 21. Устройство по п.11 или 20, отличающееся тем, что водоохлаждаемый гарнисажный тигель выполнен поворотным относительно линии горизонта.21. The device according to claim 11 or 20, characterized in that the water-cooled skull plate is rotatable relative to the horizon. 22. Устройство по п.11, отличающееся тем, что изложницы выполнены с возможностью перемещения.22. The device according to claim 11, characterized in that the molds are moveable. 23. Устройство по п.11 или 22, отличающееся тем, что изложницы установлены на вращающемся литейном столе. 23. The device according to claim 11 or 22, characterized in that the molds are mounted on a rotating casting table.
RU2007133556/02A 2007-09-07 2007-09-07 Method of vacuum-plasma melting of metals and alloys in skull furnace and facility for its implementation RU2346221C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007133556/02A RU2346221C1 (en) 2007-09-07 2007-09-07 Method of vacuum-plasma melting of metals and alloys in skull furnace and facility for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007133556/02A RU2346221C1 (en) 2007-09-07 2007-09-07 Method of vacuum-plasma melting of metals and alloys in skull furnace and facility for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2346221C1 true RU2346221C1 (en) 2009-02-10

Family

ID=40546806

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007133556/02A RU2346221C1 (en) 2007-09-07 2007-09-07 Method of vacuum-plasma melting of metals and alloys in skull furnace and facility for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2346221C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140182416A1 (en) * 2012-09-18 2014-07-03 Retech Systems Llc System and method of melting raw materials
RU2605028C2 (en) * 2011-12-29 2016-12-20 Смс Зимаг Аг Method for extracting metal from metal-bearing slag and a device for extracting metal
RU2638868C1 (en) * 2016-06-22 2017-12-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) Plant for electric arc production of zirconium
RU2674005C2 (en) * 2013-08-08 2018-12-04 Арева Нс Method and device for incineration, melting and verification of organic and metal wastes

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ФРИДМАН А.Ш. и др. Литейное производство. Гарнисажная плавильная установка для производства титановых сплавов. Научно-технический журнал «Титан», Верхняя Салда, 2002, №1(11), с.7-10. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2605028C2 (en) * 2011-12-29 2016-12-20 Смс Зимаг Аг Method for extracting metal from metal-bearing slag and a device for extracting metal
US20140182416A1 (en) * 2012-09-18 2014-07-03 Retech Systems Llc System and method of melting raw materials
US9598747B2 (en) * 2012-09-18 2017-03-21 Retech Systems Llc System and method of melting raw materials
RU2674005C2 (en) * 2013-08-08 2018-12-04 Арева Нс Method and device for incineration, melting and verification of organic and metal wastes
RU2638868C1 (en) * 2016-06-22 2017-12-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) Plant for electric arc production of zirconium

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3342250A (en) Method of and apparatus for vacuum melting and teeming steel and steellike alloys
US3764297A (en) Method and apparatus for purifying metal
US6144690A (en) Melting method using cold crucible induction melting apparatus
US7967057B2 (en) Induction melting apparatus employing halide type crucible, process for producing the crucible, method of induction melting, and process for producing ingot of ultrahigh-purity Fe-, Ni-, or Co-based alloy material
JP5048222B2 (en) Method for producing long ingots of active refractory metal alloys
RU2346221C1 (en) Method of vacuum-plasma melting of metals and alloys in skull furnace and facility for its implementation
EP0526159A1 (en) Method for melting titanium aluminide alloys
US3771585A (en) Device for melting sponge metal using inert gas plasmas
RU2413595C2 (en) Method of producing spherical granules of refractory and chemically active metals and alloys, device to this end and device to fabricate initial consumable billet to implement said method
RU2089633C1 (en) Device for melting and casting of metals and alloys
RU2360014C2 (en) Vacuum arc-refining skull furnace
Sears Current processes for the cold-wall melting of titanium
JPH02236232A (en) Method for melting and casting titanium and titanium alloy
CA1109513A (en) Atmospheric control of flux pre-melting furnace
CN110484742B (en) Method for preparing Fe-W intermediate alloy by electron beam melting and high purification
JP2011173172A (en) Method for producing long cast block of active high melting point metal alloy
RU2406276C1 (en) Method and device for obtaining compact ingots from powder materials
RU2209842C2 (en) Metal melting and pouring method
RU2762460C1 (en) Method for producing special copper ingots
RU2084549C1 (en) Method of electron-beam remelting of titanium sponge and installation for its realization
JPH0421727A (en) Method and apparatus for producing titanium cast ingot
RU2612867C2 (en) Method of melting highly reactive metals and alloys based thereon and device therefor
WO2011099208A1 (en) Silicon vacuum melting method
Zhouhua et al. Vacuum Metallurgy
CN217844710U (en) Novel crucible with electromagnetic penetration and magnetic suspension capabilities

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090908

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120908

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20141027

QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20150626

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150908

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20161210

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180908