RU74125U1

RU74125U1 - INSTALLATION FOR ELECTRON BEAM METAL Smelting

Info

Publication number: RU74125U1
Application number: RU2008110141/22U
Authority: RU
Inventors: Игорь Михайлович Ячиков; Светлана Николаевна Сергиенко; Александр Прокопьевич Морозов; Ирина Васильевна Портнова
Original assignee: Игорь Михайлович Ячиков
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2008-06-20

Abstract

Полезная модель относится к специальной электрометаллургии, в частности к устройствам для рафинирования металлов путем переплавки с нагреванием облучением частицами, а конкретно к электронно-лучевым установкам для расплавления и литья. Полезная модель позволяет повысить качество непрерывнолитого слитка за счет увеличения эффективности электронно-лучевого рафинирования металла при дополнительном электромагнитном перемешивании в промежуточной емкости и регулировании подачи расплава в кристаллизатор, согласованного со свойствами переплавляемого металла, мощностью электронно-лучевых пушек, скоростями подачи заготовки и вытягивания слитка, а также условиями охлаждения промежуточной емкости и кристаллизатора. Установка снабжена микропроцессорной системой управления, вход которой соединен с задатчиком вида металла и массы заготовки. Под днищем промежуточной емкости установлены три электромагнитных индуктора, соответственно под секциями флотационного и дистилляционного рафинирования и секции сливного носка, подключенные к преобразователю напряжения с регулятором частоты и тока. На входе системы охлаждения промежуточной емкости установлен регулятор расхода воды, а на ее выходе - датчик температуры воды. Выходы микропроцессорной системы управления подключены к механизму горизонтальной подачи заготовки, к блокам управления источников питания электронных пушек, к механизму вытягивания слитка из кристаллизатора, к регулятору частоты и тока преобразователя напряжения электромагнитных индукторов и к регулятору расхода воды на входе системы охлаждения промежуточной емкости. Датчик температур�The utility model relates to special electrometallurgy, in particular to devices for refining metals by melting with heating by irradiation with particles, and in particular to electron-beam installations for melting and casting. The utility model improves the quality of the continuously cast ingot by increasing the efficiency of electron beam refining of the metal with additional electromagnetic stirring in the intermediate tank and regulating the supply of the melt to the mold, which is consistent with the properties of the remelted metal, the power of the electron beam guns, the feed rates of the ingot and drawing the ingot, and also cooling conditions of the intermediate tank and crystallizer. The installation is equipped with a microprocessor control system, the input of which is connected to a master of the type of metal and the mass of the workpiece. Three electromagnetic inductors are installed under the bottom of the intermediate tank, respectively under flotation and distillation refining sections and drain sock sections connected to a voltage converter with a frequency and current regulator. A water flow regulator is installed at the inlet of the cooling system of the intermediate tank, and a water temperature sensor is installed at its outlet. The outputs of the microprocessor control system are connected to the horizontal supply mechanism of the billet, to the control units of the power supplies of the electronic guns, to the mechanism for pulling the ingot from the mold, to the frequency and current regulator of the voltage converter of electromagnetic inductors and to the water flow regulator at the inlet of the intermediate capacity cooling system. Temperature sensor

Description

Полезная модель относится к специальной электрометаллургии, в частности к устройствам для рафинирования металлов путем переплавки с нагреванием облучением, а конкретно к электронно-лучевым установкам для расплавления и литья.The utility model relates to special electrometallurgy, in particular to devices for refining metals by melting with heating by irradiation, and in particular to electron-beam installations for melting and casting.

Известна установка для электронно-лучевой плавки металлов, содержащая плавильную вакуум-камеру с размещенными в ней узлом ввода шихты, водоохлаждаемой промежуточной емкостью и кристаллизатором, а также вакуум-камеру электронно-лучевого нагрева, расположенную над плавильной вакуум-камерой и снабженной электронно-лучевыми пушками (см. заявку Японии №1-242729, МПК⁸ С22В 11/10, 9/22, опубл. 27.09.1989).A known installation for electron beam melting of metals, containing a melting vacuum chamber with a knot for introducing a charge, a water-cooled intermediate tank and a mold, and a vacuum chamber of electron beam heating located above the melting vacuum chamber and equipped with electron beam guns (see Japanese application No. 1-242729, IPC ⁸ C22B 11/10, 9/22, publ. 09/27/1989).

Известная установка реализует электронно-лучевой переплав металлов с помощью односекционной промежуточной емкости. При этом температурное поле, устанавливающееся на поверхности жидкой ванны в промежуточной емкости, является следствием распределения мощности электронных лучей. В известной установке не обеспечивается равномерный нагрев металла, так как наблюдается перегрев центральной зоны расплава в промежуточной емкости и недогрев по краям ванны. Поверхность жидкой ванны, лежащая в зоне действия электронного луча, подвергается серии последовательных тепловых импульсов, частота и длительность которых зависит от диаметра фокального пятна и частоты развертки луча, поэтому в известной установке не достигается равномерное температурное поле. В связи с этим электронно-лучевой нагрев характеризуется значительным градиентом температур в различных точках поверхности расплава в промежуточной емкости, что приводит неравномерному распределению легирующих и примесных элементов в поперечном сечении слитка, а высокая температура фокального пятна способствует возникновению потерь металла за счет испарения. Применение The known installation implements electron beam remelting of metals using a single-section intermediate tank. In this case, the temperature field, which is established on the surface of the liquid bath in the intermediate tank, is a consequence of the distribution of power of electron beams. In the known installation, uniform heating of the metal is not ensured, since overheating of the central zone of the melt in the intermediate tank and underheating at the edges of the bath are observed. The surface of the liquid bath lying in the zone of action of the electron beam is subjected to a series of successive thermal pulses, the frequency and duration of which depends on the diameter of the focal spot and the sweep frequency of the beam, so a uniform temperature field is not achieved in the known installation. In this regard, electron-beam heating is characterized by a significant temperature gradient at various points of the melt surface in the intermediate vessel, which leads to an uneven distribution of alloying and impurity elements in the cross section of the ingot, and the high temperature of the focal spot contributes to the occurrence of metal losses due to evaporation. Application

промежуточной емкости с нерегулируемым слоем гарниссажа сопряжено с избыточным расходом подводимой электроэнергии на компенсацию тепловых потерь, возникновением эрозии медной стенки и неполным переплавом кусков расплавляемой заготовки, что снижает качество переплавленного слитка. Отсутствие перемешивания расплава в промежуточной емкости не позволяет в полной мере использовать преимущества электронного луча и не обеспечивает оптимальных конфигураций зон нагрева и равномерного распределения энергии по нагреваемой поверхности. В данной установке при образовании гарниссажа в промежуточной емкости застывающий расплав не сцепляется прочно с охлаждаемой медной стенкой вследствие его усадки при охлаждении, и происходят периодическое отслоение и выплавление гарниссажного слоя. Это способствует (см. Башенко В.В. Электронно-лучевые установки. М.: Металлургия, 1972. С.123) локальному повышению коэффициента теплоотдачи от расплава к стенке промежуточной емкости и ее прогару, с загрязнением переплавляемого металла и снижением качества слитка. При переплавке высокореакционных металлов возможно возникновение взрывоопасных ситуаций при подплавлении стенки промежуточной емкости с неизбежным загрязнением слитка. Таким образом, известная установка не обеспечивает требований по получению высококачественных литых слитков переплавляемых металлов.an intermediate tank with an unregulated layer of the skull is associated with excessive consumption of supplied electric energy to compensate for heat losses, the occurrence of erosion of the copper wall and incomplete remelting of pieces of the molten billet, which reduces the quality of the remelted ingot. The absence of melt mixing in the intermediate tank does not allow to fully use the advantages of the electron beam and does not provide optimal configurations of the heating zones and uniform distribution of energy over the heated surface. In this installation, when a skull is formed in the intermediate tank, the solidifying melt does not adhere firmly to the cooled copper wall due to its shrinkage during cooling, and periodic peeling and melting of the skull layer occurs. This contributes (see Bashenko VV Electron-beam installations. M: Metallurgy, 1972. P.123) a local increase in the heat transfer coefficient from the melt to the wall of the intermediate tank and its burnout, with contamination of the remelted metal and a decrease in the quality of the ingot. When melting highly reactive metals, explosive situations may occur when the wall of the intermediate tank is melted with inevitable contamination of the ingot. Thus, the known installation does not meet the requirements for high-quality cast ingots of remelted metals.

Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является установка для электронно-лучевой плавки металлов, содержащая плавильную вакуум-камеру с последовательно установленными в ней рольгангом, снабженным механизмом горизонтальной подачи заготовки, двухсекционной промежуточной емкостью, выполненной из днища, боковин и сливного носка, с системой водяного охлаждения и разделенной двумя барьерами на секции флотационного и дистилляционного рафинирования и секцию сливного носка, и кристаллизатором с механизмом вытягивания слитка, а также вакуум-камеру электронно-лучевого нагрева, снабженную четырьмя электронными пушками, расположенными соответственно над секциями флотационного и дистилляционного рафинирования, секцией сливного носка и над кристаллизатором, и снабженными источниками питания Closest to the claimed utility model is a plant for electron beam melting of metals, containing a melting vacuum chamber with a roller table installed in it, equipped with a horizontal feed mechanism, a two-section intermediate tank made of bottom, sides and a drain sock, with a water cooling system and divided by two barriers into sections of flotation and distillation refining and a drain sock section, and a mold with an ingot pulling mechanism, as well as vacuum-chamber electron-beam heating, provided with four electron guns arranged respectively above the flotation sections and distillative refining section and the pouring spout on the mold, and provided with power sources

с блоками управления (см. заявку ФРГ №3827074, МПК⁸ С22В 9/22, С21С 1/02, опубл. 22.02.1990).with control units (see the application of Germany No. 3827074, IPC ⁸ С22В 9/22, С21С 1/02, publ. 02.22.1990).

Известная установка реализует электронно-лучевой переплав металлов с помощью двухсекционной промежуточной емкости. В связи со значительной площадью расплава в промежуточной емкости данная установка отличается относительно высокой неравномерностью нагрева поверхности жидкой ванны металла и требует применения сложных многопушечных систем электронно-лучевого нагрева. При этом при использовании промежуточной емкости прямоугольной формы и круговой или другой запрограммированной траектории движения электронного луча в углах или в центре наблюдается высокие неравномерности в распределении энергии по поверхности расплава и в температурном поле. Известная установка не обеспечивает постоянства тепловых потерь в различные периоды плавки, что приводит к локальному разрушению гарниссажа и прогару водоохлаждаемой стенки промежуточной емкости. При переходе к различным переплавляемым металлам и иным размерам шихтовой заготовки и слитка требуется сложная перестройка конструкции электронных пушек. Задание температурного поля на поверхности ванны с помощью системы отклонения лучей, питаемой током специальной формы, не устраняет краевых и угловых переохлажденных зон и не обеспечивает максимальной равномерности нагрева металла. Такой нагрев с высокими градиентами температур в различных точках поверхности расплава в промежуточной емкости способствует неравномерному распределению легирующих элементов в поперечном сечении слитка, а значительная температура фокального пятна приводит к повышенным потерям легкоиспаряющихся компонентов из-за испарения, что снижает однородность и качество слитка. В известной установке наблюдается значительное развитие процесса испарения и потери металла составляют 3-20% (см. Калугин А.С., Калугина К.В. Эффективность рафинирования при переплавных процессах. М.: Металлургия, 1988. С.19). Например, происходят повышенные потери марганца, и ограничивается возможность получения сложнолегированных сплавов вследствие избирательного испарения The known installation implements electron beam remelting of metals using a two-section intermediate tank. Due to the significant area of the melt in the intermediate tank, this installation is characterized by a relatively high non-uniformity of heating the surface of the liquid metal bath and requires the use of complex multi-gun electron-beam heating systems. In this case, when using an intermediate capacitance of a rectangular shape and a circular or other programmed trajectory of the electron beam in the corners or in the center, high irregularities in the distribution of energy over the melt surface and in the temperature field are observed. The known installation does not ensure the constancy of heat loss during various periods of melting, which leads to local destruction of the skull and burnout of the water-cooled wall of the intermediate tank. In the transition to various remelted metals and other sizes of the charge stock and ingot, a complex restructuring of the design of electronic guns is required. Setting the temperature field on the surface of the bath using a beam deflection system fed by a current of a special shape does not eliminate the edge and corner supercooled zones and does not ensure maximum uniformity of metal heating. Such heating with high temperature gradients at various points on the surface of the melt in the intermediate vessel promotes an uneven distribution of alloying elements in the cross section of the ingot, and a significant temperature of the focal spot leads to increased losses of volatile components due to evaporation, which reduces the uniformity and quality of the ingot. In the well-known installation there is a significant development of the evaporation process and metal loss is 3-20% (see Kalugin A.S., Kalugina K.V. Refining efficiency in remelting processes. M: Metallurgy, 1988. P.19). For example, increased manganese losses occur and the ability to produce complex alloys due to selective evaporation is limited.

элементов. В известной установке удаление примесей в виде газов и паров происходит только с поверхности перегретого металла из-за неэффективного перемешивания жидкой ванны конвекцией при электронно-лучевом нагреве. Интенсификация конвекции с увеличением температурного градиента на поверхности металла и разности плотностей поверхностного слоя и остальной части жидкой ванны приводит к избирательному испарению легирующих компонентов и снижению качества слитка. Поверхностный нагрев значительных количеств расплава в водоохлаждаемой промежуточной емкости требует применения электронных пушек большой мощности и ограничения глубины металлической ванны, что снижает к.п.д. и экономичность нагрева, а также не обеспечивает химическую однородность и стабильность механических и физических свойств металла по всему объему слитка (см. Шиллер 3., Гайзиг У., Панцер 3. Электронно-лучевая технология: Пер. с нем. М.: Энергия, 1980. С.120). Таким образом, известная установка имеет существенный недостаток - отсутствие средств для эффективного перемешивания расплава в промежуточной емкости, что не обеспечивает условий по получению высококачественного слитка.elements. In the known installation, the removal of impurities in the form of gases and vapors occurs only from the surface of the superheated metal due to the inefficient mixing of the liquid bath with convection during electron beam heating. The intensification of convection with an increase in the temperature gradient on the metal surface and the density difference between the surface layer and the rest of the liquid bath leads to the selective evaporation of alloying components and a decrease in the quality of the ingot. Surface heating of significant amounts of melt in a water-cooled intermediate tank requires the use of high-power electron guns and a limitation of the depth of the metal bath, which reduces the efficiency and the efficiency of heating, and also does not provide chemical uniformity and stability of the mechanical and physical properties of the metal over the entire volume of the ingot (see Schiller 3., Gaisig U., Panzer 3. Electron beam technology: Translated from German.M .: Energy, 1980. S. 120). Thus, the known installation has a significant drawback - the lack of means for efficiently mixing the melt in the intermediate tank, which does not provide the conditions for obtaining a high-quality ingot.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая установка для электронно-лучевой плавки металлов, является повышение качества непрерывнолитого слитка переплавляемого металла.The task to be solved by the claimed installation for electron beam melting of metals is to improve the quality of a continuously cast ingot of remelted metal.

Техническим результатом от использования предлагаемого устройства является организация оптимального перемешивания расплава в промежуточной емкости, а также регулирование условий образования гарниссажа и скорости разливки металла в кристаллизатор со сливного носка. Это повышает механическую и химическую однородность расплава и уменьшает образование и развитие дефектов макро- и микроструктуры слитков, связанных с кристаллизацией, усадочными и ликвационными процессами.The technical result from the use of the proposed device is the organization of optimal mixing of the melt in the intermediate tank, as well as the regulation of the conditions for the formation of a skull and the rate of casting of metal into the mold from the drain toe. This increases the mechanical and chemical homogeneity of the melt and reduces the formation and development of defects in the macro- and microstructure of ingots associated with crystallization, shrinkage and segregation processes.

Поставленная задача решается тем, что в известной установке для электроннолучевой плавки металлов, включающей плавильную вакуум-камеру с последовательно установленными в ней рольгангом, с механизмом горизонтальной подачи The problem is solved in that in the known installation for electron beam melting of metals, including a melting vacuum chamber with a roller table installed in it in series, with a horizontal feed mechanism

заготовки, двухсекционной промежуточной емкостью с системой водяного охлаждения, разделенную двумя барьерами на секции флотационного и дистилляционного рафинирования и секцию сливного носка, который размещен на боковой поверхности двухсекционной промежуточной емкости напротив механизма горизонтальной подачи заготовки, и кристаллизатором с механизмом вытягивания слитка, а также вакуум-камерой электронно-лучевого нагрева, снабженной четырьмя электронными пушками, расположенными соответственно над секциями флотационного и дистилляционного рафинирования и секцией сливного носка и над кристаллизатором, причем электронные пушки оборудованы источниками питания с блоками управления, добавлены новые элементы и изменены связи между узлами. Установка дополнительно снабжена микропроцессорной системой управления, вход которой соединен с задатчиком вида металла и массы заготовки. Под днищем промежуточной емкости установлены три электромагнитных индуктора, соответственно под секциями флотационного и дистилляционного рафинирования и секцией сливного носка, подключенные к преобразователю напряжения с регулятором частоты и тока. На входе системы охлаждения промежуточной емкости установлен регулятор расхода воды, а на ее выходе - датчик температуры. Выходы микропроцессорной системы управления подключены к механизму горизонтальной подачи заготовки, к блокам управления источников питания электронных пушек, к механизму вытягивания слитка из кристаллизатора, к регулятору частоты и тока преобразователя напряжения электромагнитных индукторов и к регулятору расхода воды на входе системы охлаждения промежуточной емкости. Датчик температуры воды на выходе системы охлаждения соединен с входом в микропроцессорную систему управления.the workpiece, a two-section intermediate tank with a water cooling system, separated by two barriers into sections of flotation and distillation refining and a drain sock section, which is placed on the side surface of the two-section intermediate tank opposite the horizontal workpiece feeding mechanism, and a mold with an ingot pulling mechanism, as well as a vacuum chamber electron-beam heating, equipped with four electron guns located respectively above the sections of flotation and distillation refining and section of the drain toe and above the mold, and the electron guns are equipped with power supplies with control units, added new elements and changed the connection between the nodes. The installation is additionally equipped with a microprocessor control system, the input of which is connected to a master of the type of metal and the mass of the workpiece. Three electromagnetic inductors are installed under the bottom of the intermediate tank, respectively, under the flotation and distillation refining sections and the drain sock section, connected to a voltage converter with a frequency and current regulator. At the inlet of the cooling system of the intermediate tank, a water flow regulator is installed, and at its outlet is a temperature sensor. The outputs of the microprocessor control system are connected to the horizontal supply mechanism of the billet, to the control units of the power supplies of the electronic guns, to the mechanism for pulling the ingot from the mold, to the frequency and current regulator of the voltage converter of electromagnetic inductors and to the water flow regulator at the inlet of the intermediate capacity cooling system. The water temperature sensor at the outlet of the cooling system is connected to the input to the microprocessor control system.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображен поперечный разрез установки для электронно-лучевой плавки металлов и схема ее регулирования.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, which shows a cross-section of the installation for electron beam melting of metals and the scheme of its regulation.

Установка для электронно-лучевой плавки металлов содержит плавильную вакуум-камеру 1 и расположенную над ней вакуум-камеру электронно-лучевого Installation for electron beam melting of metals contains a melting vacuum chamber 1 and located above it, a vacuum chamber of electron beam

нагрева 2. В плавильной вакуум-камере 1 последовательно установлены рольганг 3, снабженный механизмом горизонтальной подачи заготовки 4, двухсекционная промежуточная емкость 5, выполненная из меди в виде днища 6, боковой поверхности 7 и сливного носка 8, с проточной системой водяного охлаждения 9, и разделенная двумя барьерами 10 на секции флотационного 11 и дистилляционного 12 рафинирования, секцию сливного носка 13. Сливной носок 8 размещен на боковой поверхности 7 двухсекционной промежуточной емкости 5 напротив механизма горизонтальной подачи заготовки 4. Двухсекционная промежуточная емкость 5 сообщается с кристаллизатором 14, имеющим механизм вытягивания слитка 15. На входе системы охлаждения 9 промежуточной емкости 5, выполненной из листовой меди с каналами, установлен регулятор расхода воды 16, а на ее выходе - датчик температуры воды 17. В вакуум-камере электронно-лучевого нагрева 2 установлены четыре электронные пушки 18, 19, 20 и 21 известной конструкции с неплавящимся анодом (см. Электронная плавка металлов / Заборонок Г.Ф., Зеленцов Т.И., Ронгани А.С.и др. М.: Металлургия, 1972. С.16), расположенные соответственно над секциями флотационного рафинирования 11, дистилляционного рафинирования 12, секции сливного носка 13 промежуточной емкости 5 и над кристаллизатором 14, каждая из которых снабжена источником питания 22 с блоком управления 23 (на чертеже показан один комплект). Под днищем 6 промежуточной емкости 5 установлены три электромагнитных индуктора 24, 25, и 26 под секциями флотационного 11 и дистилляционного 12 рафинирования и секцией сливного носка 13, подключенные к преобразователю напряжения 27 с регулятором частоты и тока 28. Установка снабжена микропроцессорной системой управления 29, вход которой соединен с задатчиком вида металла и массы заготовки 30. Выходы из микропроцессорной системы управления 29 подключены к механизму горизонтальной подачи заготовки 4, к блокам управления 23 источников питания 22 электронных пушек 18-21, к механизму вытягивания слитка 15 из кристаллизатора 14, к регулятору частоты и тока 28 преобразователя напряжения 27 и к регулятору расхода воды 16 на входе системы охлаждения 9 промежуточной емкости 5. Датчик температуры воды 17, расположенный на выходе из системы охлаждения heating 2. In the melting vacuum chamber 1, a roller table 3 is installed in series, equipped with a horizontal supply mechanism for the workpiece 4, a two-section intermediate tank 5 made of copper in the form of a bottom 6, a side surface 7 and a drain sock 8, with a flow-through water cooling system 9, and divided by two barriers 10 into sections of flotation 11 and distillation 12 refining, the section of the drain sock 13. The drain sock 8 is placed on the side surface 7 of a two-section intermediate tank 5 opposite the horizontal feed mechanism blanks 4. A two-section intermediate tank 5 communicates with a crystallizer 14 having an ingot pulling mechanism 15. At the inlet of the cooling system 9 of the intermediate tank 5 made of sheet copper with channels, a water flow regulator 16 is installed, and a water temperature sensor 17 is installed at its output. Four electron guns 18, 19, 20 and 21 of known design with a non-consumable anode are installed in the vacuum chamber of the electron-beam heating 2 (see Electronic smelting of metals / Zaboronok G.F., Zelentsov T.I., Rongani A.S. et al. M.: Metallurgy, 1972. P. 16) located respectively above sections of flotation refining 11, distillation refining 12, section drain sock 13 of the intermediate tank 5 and above the mold 14, each of which is equipped with a power source 22 with a control unit 23 (one set is shown in the drawing). Under the bottom 6 of the intermediate tank 5, three electromagnetic inductors 24, 25, and 26 are installed under the flotation 11 and distillation 12 refining sections and the drain sock section 13, connected to a voltage converter 27 with a frequency and current regulator 28. The installation is equipped with a microprocessor control system 29, input which is connected to the master of the type of metal and the mass of the workpiece 30. The outputs from the microprocessor control system 29 are connected to the horizontal feed mechanism of the workpiece 4, to the control units 23 of the power sources 22 electronic onnyh guns 18-21, the mechanism of pulling the ingot 15 from the mold 14, frequency controller 28 and a current-voltage converter 27 and to the water flow regulator 16 on cooling the inlet 9 of the intermediate vessel 5. The water temperature sensor 17 disposed at the outlet of the cooling system

9 соединен с входом микропроцессорной системы управления 29.9 is connected to the input of the microprocessor control system 29.

Установка для электронно-лучевой плавки металлов работает следующим образом. После загрузки заготовки установку герметизируют и с помощью вакуумной системы (на чертеже она не показана) производят откачку воздуха до остаточного давления в плавильной вакуум-камере 1 на уровне 0,01 Па и в вакуум-камере электронно-лучевого нагрева 2 - на уровне 0,001 Па. По рольгангу 3 с помощью механизма горизонтальной подачи 4 подают заготовку в зону действия электронных лучей для переплава в промежуточную емкость 5. На днище 6, боковой поверхности 7 и сливном носике 8 промежуточной емкости 5 за счет подачи воды в каналы системы охлаждения 9 и интенсивного отвода тепла от металла образуется слой гарниссажа из расплава переплавляемой заготовки. Два водоохлаждаемых барьера 10 разделяют промежуточную емкость 5 на секции флотационного 11 и дистилляционного 12 рафинирования и секцию сливного носка 13, где последовательно происходят накапливание и рафинирование расплава от вредных примесей, а также задерживаются шлаки и неметаллические включения. Затем жидкий металл из промежуточной емкости 5 стекает по собственному металлическому гарниссажу через сливной носок 13 в кристаллизатор 14, где формируется слиток, перемещаемый вниз с помощью механизма вытягивания 15. Регулирование расхода воды на входе в систему охлаждения 9 промежуточной емкости осуществляется регулятором расхода воды 16, а контроль ее температуры - с помощью датчика температуры воды 17, например термометра сопротивления типа ТПП-С. Нагрев торца заготовки и ванны металла в секции флотационного рафинирования 11, а также расплава в секции дистилляционного рафинирования 12, секции сливного носка 13 и в кристаллизаторе 14 осуществляется с помощью четырех электронных пушек соответственно 18, 19, 20 и 21. При столкновении пучков электронов с металлом происходит их поглощение в тонком поверхностном слое с превращением их кинетической энергии в тепло. В процессе переплава тяжелые включения опускаются на дно промежуточной емкости 5 в гарниссаж, а легкие включения всплывают на поверхность расплава и разрушаются под действием электронного луча. Регулирование мощности электронных пушек 18-21, фокусировки и отклонения Installation for electron beam melting of metals works as follows. After loading the workpiece, the installation is sealed and, using a vacuum system (not shown in the drawing), air is pumped out to a residual pressure in the melting vacuum chamber 1 at a level of 0.01 Pa and in a vacuum chamber of electron-beam heating 2 at a level of 0.001 Pa . On the rolling table 3 using the horizontal feed mechanism 4 serves the workpiece in the area of action of electron beams for remelting in the intermediate tank 5. On the bottom 6, side surface 7 and the drain nozzle 8 of the intermediate tank 5 by supplying water to the channels of the cooling system 9 and intensive heat dissipation from the metal a layer of skull forms from the melt of the remelted billet. Two water-cooled barriers 10 separate the intermediate tank 5 into sections of flotation 11 and distillation 12 refining and section of the drain sock 13, where the accumulation and refinement of the melt from harmful impurities sequentially occur, as well as toxins and non-metallic inclusions are delayed. Then the liquid metal from the intermediate tank 5 flows through its own metal skull through the drain sock 13 into the mold 14, where an ingot is formed, which is moved down by the pulling mechanism 15. The water flow rate at the inlet to the cooling system 9 of the intermediate tank is regulated by the water flow regulator 16, and control of its temperature - using a water temperature sensor 17, such as a resistance thermometer such as TPP-S. The heating of the end face of the billet and the metal bath in the flotation refining section 11, as well as the melt in the distillation refining section 12, the drain sock section 13 and in the mold 14, is carried out using four electron guns 18, 19, 20, and 21, respectively. In the collision of electron beams with metal they are absorbed in a thin surface layer with the conversion of their kinetic energy into heat. In the process of remelting, heavy inclusions sink to the bottom of the intermediate tank 5 in the skull, and light inclusions float to the surface of the melt and are destroyed by the electron beam. Power control of electron guns 18-21, focus and deflection

электронных лучей и скорости нагрева расплава производится с помощью источников питания 22 с блоками управления 23. Перемешивание расплава в секциях флотационного 11 и дистилляционного 12 рафинирования и сливного носка 13 осуществляется соответственно электромагнитными индукторами 24, 25 и 26 плоской конструкции, установленными под днищем 6 промежуточной емкости 5. Регулирование направления и интенсивности перемешивания расплава производится с помощью преобразователя напряжения 27 от регулятора частоты и тока 28. Обмотки электромагнитных индукторов 24-26 подключаются к двухфазному источнику тока низкой частоты (0,5-10 Гц) с углом сдвига фаз 90°, что обеспечивает необходимую глубину проникновения электромагнитного поля в металл через днище 6 и гарниссаж и регулирование интенсивности перемещения расплава. Переключением обмоток электромагнитных индукторов 24-26 на преобразователе напряжения 27 (на чертеже не показано) можно изменять характер и направление движения расплава, что позволяет транспортировать шлакообразующие и легирующие добавки в перегретые зоны под фокальными пятнами электронно-лучевых пушек 18-21. При питании электромагнитных индукторов 24-26 от преобразователя напряжения 27 токами с низкой частотой создается «бегущее» электромагнитное поле. Оно наводит в расплаве вихревые токи, заставляя металл в нижней части ванны двигаться по направлению бегущего поля, а в верхней - в противоположную сторону. Этим обеспечивается перемешивание и выравнивание физико-химических характеристик металла. Происходит усреднение температуры расплава по объему ванны в промежуточной емкости 5 и облегчается операция удаления неметаллических включений и скачивания шлака.electron beams and the heating rate of the melt is performed using power sources 22 with control units 23. Mixing of the melt in the sections of flotation 11 and distillation 12 refining and drain sock 13 is carried out respectively by electromagnetic inductors 24, 25 and 26 of a flat design mounted under the bottom 6 of the intermediate tank 5 The regulation of the direction and intensity of mixing of the melt is carried out using a voltage converter 27 from the frequency and current regulator 28. Windings of electromagnetic ind Uktorov 24-26 are connected to a two-phase low-frequency current source (0.5-10 Hz) with a phase angle of 90 °, which provides the necessary depth of penetration of the electromagnetic field into the metal through the bottom 6 and the skull and the regulation of the intensity of the melt. By switching the windings of the electromagnetic inductors 24-26 on the voltage transducer 27 (not shown in the drawing), it is possible to change the nature and direction of the movement of the melt, which allows transporting slag-forming and alloying additives to superheated zones under the focal spots of electron beam guns 18-21. When feeding electromagnetic inductors 24-26 from a voltage converter with 27 currents with a low frequency, a “running” electromagnetic field is created. It induces eddy currents in the melt, forcing the metal in the lower part of the bath to move in the direction of the traveling field, and in the upper - in the opposite direction. This ensures mixing and alignment of the physico-chemical characteristics of the metal. The melt temperature is averaged over the volume of the bath in the intermediate tank 5 and the operation of removing non-metallic inclusions and loading of slag is facilitated.

Применение электромагнитных индукторов 24-26 позволяет улучшить условия распространения тепла внутри расплава и создать значительно больший объем металла в промежуточной емкости 5 при той же мощности электронных пушек 18-21, что повышает к.п.д. и экономичность по сравнению с прототипом.The use of electromagnetic inductors 24-26 can improve the conditions of heat distribution inside the melt and create a much larger volume of metal in the intermediate tank 5 at the same power of the electron guns 18-21, which increases the efficiency and profitability compared to the prototype.

Выход электромагнитного поля от индукторов на поверхность расплава приводит к «размыванию» фокального пятна электронного луча и тем самым позволяет The output of the electromagnetic field from the inductors to the surface of the melt leads to the "erosion" of the focal spot of the electron beam and thereby allows

снижать локальный перегрев металла. Электромагнитные индукторы 24-26 могут обеспечивать вращение расплава в любой вертикальной плоскости в секциях флотационного рафинирования 11 и секции сливного носка 13, при этом интенсифицируется вынос легких примесей на поверхность в секции дистилляционного рафинирования 12 и улучшается распределение легирующих добавок. Электромагнитное перемешивание повышает скорость плавки при горизонтальной подаче заготовки, так как свежие порции шихты, увлекаемые вращающимся металлом, быстро уходят с участка затеняемого от электронного луча электронной пушки 18 переплавляемой заготовкой. Электромагнитное перемешивание металла в промежуточной емкости 5 обеспечивает равномерное орошение расплавом всех участков гарниссажа, что повышает его устойчивость и прочность сцепления с медной водоохлаждаемой стенкой, предотвращает его отслоение и выплавление. При этом снижаются тепловые потери, улучшается эффективность электронного луча, а также снижаются эрозия промежуточной емкости 5 и загрязнение нагреваемого расплава медью, что повышает качество металла слитка. Электромагнитное перемешивание позволяет увеличить площадь испарения на более ранних ступенях рафинирования на торце заготовки и в секции флотационного рафинирования 11 с обеспечением повышенных концентрационных напоров и минимальных потерь на испарение. Поэтому переплав с промежуточной емкостью 5, снабженной электромагнитными индукторами 24-26, обеспечивает более низкое содержание газов, вредных примесей, неметаллических включений и повышенные плотность и качество структуры слитка. Перемешивание расплава снижает локальный поверхностный перегрев расплава и уменьшает потери на испарение металла до 1-2% (см. Мовчан Б.А., Тихоновский А.Л., Курапов Ю.А. Электронно-лучевая плавка и рафинирование металлов и сплавов. Киев: Наукова думка, 1973. С.39). Кроме того, наличие электромагнитного перемешивания в промежуточной емкости 5 позволяет эффективно осуществлять раскисление, десульфурацию, обезуглероживание и микролегирование различными элементами, способствует усреднению химического состава получаемого слитка, причем более развитая реакционная поверхность обеспечивает повышение эффективности рафинирования с одновременным повышением производительности.reduce local metal overheating. Electromagnetic inductors 24-26 can provide melt rotation in any vertical plane in flotation refining sections 11 and drain sock sections 13, while the removal of light impurities to the surface in the distillation refining section 12 is intensified and the distribution of alloying additives is improved. Electromagnetic stirring increases the melting speed during horizontal feeding of the billet, since fresh portions of the charge, carried away by the rotating metal, quickly leave the area of the electron gun 18 shaded from the electron beam by the remelted billet. Electromagnetic stirring of the metal in the intermediate tank 5 ensures uniform melt irrigation of all sections of the skull, which increases its stability and adhesion to a water-cooled copper wall, prevents its delamination and smelting. This reduces heat loss, improves the efficiency of the electron beam, and also reduces the erosion of the intermediate tank 5 and the pollution of the heated melt by copper, which increases the quality of the metal ingot. Electromagnetic stirring allows you to increase the evaporation area at earlier stages of refining at the end face of the workpiece and in the section of flotation refining 11 to ensure increased concentration head and minimal evaporation losses. Therefore, remelting with an intermediate tank 5, equipped with electromagnetic inductors 24-26, provides a lower content of gases, harmful impurities, non-metallic inclusions and increased density and quality of the structure of the ingot. Mixing of the melt reduces local surface overheating of the melt and reduces losses on metal evaporation by 1-2% (see Movchan B.A., Tikhonovsky A.L., Kurapov Yu.A. Electron beam melting and refining of metals and alloys. Kiev: Naukova Dumka, 1973. P.39). In addition, the presence of electromagnetic stirring in the intermediate tank 5 allows efficient deoxidation, desulfurization, decarburization and microalloying of various elements, averages the chemical composition of the obtained ingot, and a more developed reaction surface provides an increase in the efficiency of refining with a simultaneous increase in productivity.

Для оптимизации теплового режима при электронно-лучевом нагреве, с точки зрения равномерности нагрева поверхности ванны, минимального угара металла, условий рафинирования и стабильности гарниссажного слоя, производится регулирование процессом с помощью микропроцессорной системы управления 29. При этом на ее входе формируется задающий сигнал от задатчика вида металла и массы заготовки 30. В соответствии с исходными данными с выходов микропроцессорной системы управления 29 генерируются управляющие сигналы на механизм горизонтальной подачи заготовки 4, блоки управления 23 источников питания 22 электронных пушек 18-21, механизм вытягивания слитка 15, регулятор частоты и тока 28 преобразователя напряжения 27 и регулятор расхода воды 16. Для регулирования теплового состояния промежуточной емкости 5 сигнал обратной связи с датчика температуры 17 подается на вход в микропроцессорную систему управления 29. Регулирование частоты и силы тока, подаваемых на электромагнитные индукторы 24-26, производится регулятором 28 по управляющему сигналу, который поступает на него с выхода микропроцессорной системы управления 29 и согласован с видом металла, величиной подводимой мощности на электронные пушки 18-21 и программой ее распределения на поверхности расплава, а также со скоростями подачи заготовки и вытягивания слитка. Регулируемое микропроцессорной системой управления 29 перемешивание металла в промежуточной емкости 5 позволяет более полно использовать преимущества электронного луча как независимого источника энергии, обеспечивает возможность создания оптимальных конфигураций зон нагрева с прецизионным распределением энергии по нагреваемой поверхности. Регулируемые перемешивание расплава и режим охлаждения промежуточной емкости 5 обеспечивают стабильное поддержание температуры металла без разрушения гарниссажного слоя. Повышение стабильности службы гарниссажа при переплавке высокореакционных металлов предотвращает взрывоопасные ситуации за счет исключения подплавления стенки промежуточной емкости 5. Организация электромагнитного перемешивания расплава в промежуточной емкости 5 предотвращает попадание не расплавившихся кусочков шихты из немонолитной переплавляемой заготовки в наплавляемый слиток в кристаллизаторе 14. Кроме того, такое перемешивание In order to optimize the thermal regime during electron-beam heating, from the point of view of uniformity of heating of the bath surface, minimal metal fumes, refining conditions and stability of the skull layer, the process is controlled by a microprocessor control system 29. At the same time, a control signal from the setpoint generator is generated at its input metal and mass of the workpiece 30. In accordance with the source data from the outputs of the microprocessor control system 29, control signals are generated on the horizontal The blanks 4, control units 23 of power sources 22 electronic guns 18-21, an ingot pull mechanism 15, a frequency and current regulator 28 of a voltage converter 27 and a water flow regulator 16. To regulate the thermal state of the intermediate tank 5, a feedback signal from the temperature sensor 17 is supplied at the entrance to the microprocessor control system 29. The frequency and current supplied to the electromagnetic inductors 24-26 are regulated by the regulator 28 according to the control signal, which is received from the microprocess output molecular control system 29 and coordinated with the metal species, the magnitude of the power supplied to the electron guns 18-21 and the program of its distribution on the melt surface, and a flow rate of the preform and drawing an ingot. The mixing of the metal in the intermediate tank 5 controlled by the microprocessor control system 29 makes it possible to more fully use the advantages of the electron beam as an independent energy source, and makes it possible to create optimal configurations of heating zones with a precise distribution of energy over the heated surface. Adjustable melt mixing and cooling mode of the intermediate tank 5 ensure stable maintenance of the metal temperature without destroying the skull layer. Improving the stability of the skull service during the smelting of highly reactive metals prevents explosive situations by eliminating the melting of the wall of the intermediate vessel 5. Organization of electromagnetic mixing of the melt in the intermediate vessel 5 prevents non-molten pieces of the mixture from the non-cast remelted billet from entering the weld ingot in the mold 14. In addition, such mixing

позволяет регулировать температуру расплава в промежуточной емкости 5 и, перед сливом в кристаллизатор 14, создавать область увеличенного объема металла с эффективным перемешиванием для усреднения его состава. Процесс проводится до полного сплавления исходной заготовки, а затем в прибыльной части слитка в кристаллизаторе 14 электронной пушкой 21 выводится усадочная раковина и слиток удаляется с помощью механизма вытягивания 15.allows you to adjust the temperature of the melt in the intermediate tank 5 and, before discharge into the mold 14, to create a region of increased volume of the metal with effective mixing to average its composition. The process is carried out until the initial billet is completely fused, and then in the profitable part of the ingot in the mold 14, the shrink shell is removed by the electron gun 21 and the ingot is removed using the pulling mechanism 15.

Производилась сравнительная плавка титановой губки на 30-тонной электронно-лучевой установке с четырьмя аксиальными электронными пушками типа ЕН-1200/50-1,2 МВт по схеме приведенной в прототипе и по заявляемой схеме. Использовалась титановая губка марки ТГ-100 со средним содержанием примесей (%): 0,012 H₂; 0,4 O₂; 0,04 N₂; 0,2 Fe; 0,07 С и 0,06 Аl. Переплав производился в кристаллизатор диаметром 125 мм при скорости вытягивания слитка 10 мм/мин. Скорость переплава поддерживалась на постоянном уровне равномерной подачей переплавляемой заготовки. Подводимая мощность в процессе переплава регулировалась на постоянном уровне благодаря стабилизации тока накала катодов электронных пушек. Сравнение химического состава переплавленного титана показало (табл.), что содержание примесей в слитках, полученных в заявляемой установке, уменьшилось в среднем в 1,5-2 раза по сравнению с прототипом.Comparative melting of the titanium sponge was carried out on a 30-ton electron-beam installation with four axial electron guns of the ЕН-1200 / 50-1.2 MW type according to the scheme given in the prototype and according to the claimed scheme. Used titanium sponge brand TG-100 with an average content of impurities (%): 0.012 H ₂ ; 0.4 O ₂ ; 0.04 N ₂ ; 0.2 Fe; 0.07 C and 0.06 Al. Remelting was carried out in a mold with a diameter of 125 mm and an ingot drawing speed of 10 mm / min. The remelting rate was maintained at a constant level by a uniform supply of the remelted workpiece. The input power during the remelting process was regulated at a constant level due to the stabilization of the glow current of the cathodes of electron guns. Comparison of the chemical composition of the remelted titanium showed (table.) That the content of impurities in the ingots obtained in the inventive installation decreased on average 1.5-2 times compared with the prototype.

Таблица. Химический состав титана (в %), выплавленного в установке по прототипу и в заявляемой установкеTable. The chemical composition of titanium (in%), smelted in the installation of the prototype and in the inventive installation Вид установкиType of installation TiTi Содержание примесей, %The content of impurities,% Сумма прочих примесейThe sum of other impurities СFROM FeFe SiSi ZrZr WW OO NN HH ПрототипPrototype 99,299,2 0,020.02 0,100.10 0,10.1 0,010.01 0,20.2 0,20.2 0,030,03 0,0100.010 0,300.30 ЗаявляемаяDeclared 99,999.9 0,010.01 0,050.05 0,080.08 0,10.1 0,010.01 0,0070.007 0,100.10

Кроме того, улучшились пластические свойства титана: предел прочности при растяжении σ_в (при 20°С) с 530 до 294 МПа, предел текучести σ_0,2 с 422 до 245 МПа, относительное удлинение δ с 20 до 25% и относительное сужение ψ с 47 до 60%.In addition, the plastic properties of titanium improved: tensile strength σ _in (at 20 ° С) from 530 to 294 MPa, yield strength σ _0.2 from 422 to 245 MPa, elongation δ from 20 to 25% and relative narrowing ψ from 47 to 60%.

Заявляемое устройство обеспечивает повышение качества титана за счет получения высоких физико-механических и служебных свойств. Электромагнитное перемешивание расплава в промежуточной емкости создает условия для более эффективного удаления неметаллических включений. В целом, при одинаковой с прототипом производительности заявляемая установка позволяет повысить степень рафинирования в 1,5-2 раза.The inventive device provides an increase in the quality of titanium by obtaining high physical, mechanical and service properties. Electromagnetic stirring of the melt in the intermediate vessel creates conditions for more efficient removal of non-metallic inclusions. In General, with the same performance as the prototype, the inventive installation allows to increase the degree of refining by 1.5-2 times.

Таким образом, заявляемая установка для электронно-лучевой плавки металлов позволяет улучшить качество непрерывнолитого слитка, получаемого из переплавляемой заготовки, за счет: повышения интенсивности перемешивания при электромагнитном воздействии на металл в промежуточной емкости с регулированием времени выдержки и температуры расплава, что способствует более полному и ускоренному протеканию физико-химических процессов и эффективному удалению газов и примесей из металла; уменьшения структурной и химической неоднородности литого металла путем усреднения температуры и химического состава расплава переплавляемого металла; обеспечения оптимальных скоростей движения расплава в промежуточной емкости и жидкой фазы слитка; устранения опасности прогорания или зарастания гарниссажом промежуточной емкости; повышения мобильности и степени автоматизации процесса плавки.Thus, the inventive installation for electron beam melting of metals can improve the quality of the continuously cast ingot obtained from the remelted billet, due to: increasing the intensity of mixing during electromagnetic exposure to the metal in the intermediate tank with regulation of the exposure time and temperature of the melt, which contributes to a more complete and accelerated the course of physical and chemical processes and the effective removal of gases and impurities from the metal; reducing the structural and chemical heterogeneity of the cast metal by averaging the temperature and chemical composition of the melt of the remelted metal; ensuring optimal melt speeds in the intermediate vessel and the liquid phase of the ingot; elimination of the danger of burnout or overgrowing by a skull of an intermediate tank; increase mobility and degree of automation of the melting process.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что заявляемая установка для электронно-лучевой плавки металлов обеспечивает повышение качества непрерывнолитых слитков переплавляемого металла, работоспособно и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе. Соответственно, заявляемая установка может быть применена в специальной электрометаллургии с целью повышения качества непрерывнолитого металла, а, следовательно, соответствует условию «промышленной применимости».Based on the foregoing, we can conclude that the inventive installation for electron beam melting of metals provides an increase in the quality of continuously cast ingots of remelted metal, efficiently and eliminates the disadvantages that occur in the prototype. Accordingly, the inventive installation can be used in special electrometallurgy in order to improve the quality of continuously cast metal, and, therefore, meets the condition of "industrial applicability".

Claims

Installation for electron beam melting of metals, including a vacuum melting chamber with a roller table installed in it with a horizontal workpiece feeding mechanism, a two-section intermediate tank with a water cooling system, separated by two barriers into sections of flotation and distillation refining and a drain sock section, which is placed on the side surface of a two-section intermediate tank opposite the horizontal feed of the workpiece, and a mold with a pull mechanism ingot, as well as an electron-beam heating vacuum chamber equipped with four electron guns located respectively above the sections of flotation and distillation refining and the drain sock section and above the mold, and the electron guns are equipped with power supplies with control units, characterized in that it is additionally equipped with a microprocessor control system, the input of which is connected to a master of the type of metal and the mass of the workpiece, under the bottom of the intermediate tank are three electric agitator inductors under the flotation and distillation refining sections and the drain sock section, which are connected to a voltage converter with a frequency and current regulator, and a water flow regulator is installed at the input of the intermediate capacity cooling system, a water temperature sensor is at its output, in addition, the outputs of the microprocessor system the controls are connected to the horizontal feed mechanism, to the control units of the power supplies of the electron guns, to the mechanism for pulling the ingot from the mold, to the to the frequency and current regulator of the voltage converter of electromagnetic inductors and to the water flow controller at the inlet of the cooling system of the intermediate tank, and the water temperature sensor at its output is connected to the input to the microprocessor control system.