UA34625C2 - Спосіб одержання монолітного витратного електрода з титанової губки і пристрій для його здійснення - Google Patents

Abstract

Спосіб одержання монолітного витратного електрода з титанової губки включає подачу титанової губки у плавильний пристрій, плавлення її у захисному середовищі, причому титанову губку подають у плавильний пристрій електрошлакової печі з струмопідвідним кристалізатором і наведеною в ньому шлаковою ванною, а плавлення губки ведуть на поверхні металевої ванни за рахунок тепла, що виділяється у шлаковій ванні при проходженні електричного струму, з одночасним витягуванням витратного електрода. Як захисне середовище можуть бути використані безкисневі шлаки на основі солей плавикової кислоти, а дзеркало шлакової ванни і заготовку, яку витягують, захищають аргоном. Пристрій для одержання монолітного витратного електрода з титанової губки містить плавильний пристрій у вигляді розширеної струмопідвідної водоохолоджуваної секції кристалізатора, формувальний пристрій у вигляді водоохолоджуваної секції кристалізатора з отвором по діаметру потрібного витратного електрода, піддон формувального пристрою, водоохолоджуваний невитратний електрод і джерело живлення, що з'єднано з струмопідвідною секцією і піддоном, причому пристрій містить додаткове джерело живлення, яке під'єднано до двопровідної мережі живлення синфазно з основним джерелом живлення і з'єднано з невитратним електродом і піддоном, а площа поперечного перерізу струмопідвідної секції кристалізатора у 5-20 разів перевищує площу перерізу формувальної секції кристалізатора. Винахід може бути використано у металургії з найбільшим ефектом при виробництві витратних електродів з титанової губки для подальшого вакуумно-дугового переплавлення.

Description

Винахід відноситься до області металургії кольорових металів, а більш конкретно до області виробництва титану | може бути використаний при виробництві титанових зливків з титанової губки.

Основним промисловим способом одержання титанових зливків у теперішній час є двократне вакуумнодугове переплавлення витратних електродів. При цьому для першого переплавлення застосовують витратни електроди, що спресовано з титанової губки, а для другого переплавлення використовують у якості витратних електродів зливки, одержані при першому переплавленні. Приготування пресованого витратного електрода з титанової губки є дорогою операцією, яка обусловлює труднощі ефективного використання шихти різної форми і розмірів. Так, для пресування блоків з титанової губки масою до 200кг необхідні унікальні потужні преси зусиллям 5-10 тисяч тонн. Блоки потім необхідно зварювати у витратний електрод за допомогою плазмового, аргонодугового або електроннопроменевого зварювання. Півбезперервне ж пресування у прохідну матрицю з одержанням довгорозмірної заготовки пов'язано з необхідністю добавки у шихту поруч з титановою губкою алюмінія і інших компонентів (Див., наприклад, російський патент 2031174, МПКУС22С 14 /00, публ. 20.03.95, бюл. Ме8).

Прагнення звільнитись від необхідності мати унікальне пресове обладнання і зменшити вартість титанових зливків привело до розробки способів плавки титанової губки і інших некомпактних матеріалів з титану з використанням незалежних джерел нагрівання: вакуумнодугове переплавлення з невитратним електродом, індукційно-шлакове або вакуумно-індукційне переплавлення, плазмово-дугове і електронно- променеве переплавлення (Див. Проблеми спеціальної електрометалургії, 1995, МеЗ, с. 17.). Така різноманітність способів плавки титанової губки обумовлена тим, що з одного боку титан є високореакційним металом, що вимагає ефективного захисту від окислення і попадання у нього азоту і водню з повітря, а з іншого боку - тим, що переплавлення газонасиченої титанової губки з високою кількістю хлорідів веде до засмічення вакуумних систем, особливо на випадок високого вакууму. Тому вважається доцільним застосовувати способи плавки з використанням вакууму тільки при низькій кількості хлорідів у титановій губки. При вмісті хлорідів у губки до 0,2595 рекомендується використати плазмово-дугове переплавлення, а при використанні губки з більш високим вмістом хлорідів переважним стає індукційно- шлакове переплавлення. Разом з тим, індукційно-шлакове переплавлення, яке дозволяє використати найбільш брудну по хлорідах губку, застосовується поки тільки для одержання зливків відносно невеликих розмірів з-за низького к. п. д. розрізного кристалізатора, у якому воно здійснюється. Для одержання зливків промислових розмірів необхідні джерела живлення високої частоти надмірно великої потужності.

З способів плавлення некомпактної титанової губки у найбільшій мірі розроблений спосіб вакуумнодугового плавлення з невитратним охолоджуваним електродом. Звичайно застосовуваний у сталеплавильних процесах невитратний графітовий електрод не може бути застосований на випадок плавки титанової губки з-за неприпустимості навіть найменшого забруднення титану вуглецем. Між тим водоохолоджуваний металевти електрод піддається під час плавки електроерозії. Для боротьби з електроерозією застосовують спеціальні електромагнітні котушки, розташовані усередині електродів і покликані викликати блукання дуги по електроду, тим самим послаблюючи електроерозію. В інших випадках, щоб заставити дугу блукати по електроду, його встановлюють під кутом до вертикалі і надають йому обертання.

Найбільш близьким до заявляемого способу одержання монолітного витратного електрода з титанової губки є спосіб, який описаний у публикації |Мусатов М.І., Міляєва Т.Н., Філющенко Н.І. Плавлення титанових сплавів / Аналітичний огляд по вітчизняним і зарубіжним джерелам - ООНТІ ВІЛС, 1976. - с. 48, - прототип).

Цей спосіб містить подачу титанової губки у плавильний пристрій, плавління її у захисній атмосфері і подальшу розливку розплава. В цьому способі електрод, що не плавиться, зроблений мідним водоохолоджуваним і встановлюється у вакуумній камері під кутом близько 30" до вертикалі і обертається кругом своєї осі з швидкістю 250об/хв. При цьому способі титанова губка через спеціальну систему подачі у вакуумну камеру подається у тігель, що перекидається, і плавиться за допомогою дуги, яка горить між невитратним електродом і тіглем. Після заповнення тігля рідким металом він перекидається і метал зливається у розташований поруч з тіглем у вакуумній камері мідний водоохолоджуваний кристалізатор, з якого за допомогою системи переміщення витягується зливок.

Вадою вказаного способу є те, що за наявністю у титановій губки значної кількості хлорідів вакуумна система засмічується їми, порушуючи технологічний процес. Крім того, стійкість невитратного електрода внаслідок його ерозії вельми низька, причому вона тим менше, чим більше щільність струму на електроді.

Застосовуваний у прототипі пристрій не дозволяє у наявному плавильному просторі істотно знизити щільність струму на електроді при заданої потужності процесу плавки шляхом збільшення його поверхні.

Між тим існують пристрої, що дозволяють у заданому плавильному просторі мати низькі щільності струму на невитратному електроді при досить високих значеннях потужності, що досягається при цьому на електроді. До таких пристроїв відноситься, наприклад, струмопідвідний кристалізатор, який використовують у електрошлакових технологіях У цьому випадку плавильний простір і невитратний електрод представляють єдине ціле, дозволяючи різко збільшити контактову поверхню електрода і знизити щільність струму на електроді, щоб істотно ослабити його ерозію.

Найбільш близький по сукупності ознак до заявляемого пристрою є пристрій по патенту США Ме4185682 від 29.01.1980, МПК В22027/02, - прототип. Цей пристрій містить плавильний пристрій у вигляді розширеної струмопідвідної водоохолоджуваної секції кристалізатора,Ї формуючий пристрій у вигляді водоохолоджуваної секції кристалізатора по діаметру потрібного витратного електрода, водоохолоджуваний невитратний електрод і джерело живлення, що з'єднано з струмопідвідною секцією і витратним електродом, що витягують. У вказаному кристалізаторі що складається з не менше двох ізольованих одна від одной водоохолоджуваних секцій з електропровідного матеріалу, верхня секція є струмопідвідної. До неї підводиться струм від джерела живлення і тому ця секція грає роль невитратного електрода. Для виключення електроерозії стінки цієї секції вона має внутрішній захисний шар з тугоплавкого електропровідного матеріалу - графітове або вольфрамове змінне кільце. Нижня секція приблизно такого ж перерізу, що і верхня, виконує роль формуючого пристрою, з якого витягується зливок або заготовка, яку наплавлюють. Верхня секція під'єднана до джерела живлення, другий кінець якого з'єднаний через піддон з заготовкою, що формується. На випадок необхідності паралельно струмопідвідної секції до джерела живлення можна підключити витратний або невитратний електрод.

Вказана конструкція кристалізатора дозволяє використати його для електрошлакової наплавки циліндричних поверхонь, зокрема валків прокатних станів і для виплавки сталевих зливків. Разом з тим, одержання титанових зливків з титанової губки у цьому пристрої виключено з-за насичення титану вуглецем або вольфрамом при ерозії захисного кільця або невитратного електрода і неможливості сформувати титановий зливок внаслідок несприятливого розподілу теплової потужності при цієї конструкції пристрою.

Справа в тому, що виділення тепла при електрошлаковому процесі відбувається переважно у місці контакту електрода і шлакової ванни. При канонічній схемі електрошлакового переплавлення витратного електрода існує два таких контактних місця: на зануреної у шлак поверхні витратного електрода і на поверхні металевої ванни. В першому випадку тепло витрачається на плавління електрода і перегрівання крапель електродного металу, що стікають у металеву ванну. У другому - на підтримання об'єму металевої ванни, необхідного для формування зливка з хорошою поверхнею, причому цьому сприяє також і тепло що поступає у металеву ванну разом з краплями електродного металу. Інша справа у випадку невитратного електрода. Тепло, що виділяється у електрода, витрачається на розігрів шлакової ванни і на нагрівання води, яка охолоджує електрод. Присадочний метал може плавиться тільки за рахунок тепла, що акумульовано у шлакової ванні і на поверхні металевої ванни. Якщо некомпактний присадочний метал має температуру плавління істотно нижче температури шлакової ванни і є малогабаритний, то він може розплавитись ще у шлакової ванні, не доходячи до поверхні металевої ванни. Температура шлакової ванни при електрошлакових процесах звичайно не перевищує 1700"С. Тому чавунний дроб діаметром близько 2мм плавиться у шлакової ванні. Інша справа з титановою губкою. Температура її плавління становить 1660"С, фракційний склад -12 - 7бмм. Тому вона може плавитись тільки на поверхні металевої ванни. У зв'язку з цим на місце контакту шлак-металева ванна приходиться подвійне навантаження: плавління присадочного металу і формування зливка. Це вимагає істотно більшій інтенсивності тепловиділення у цьому місці. Збільшення ж загальної потужності процесу мало що дає, оскільки при цьому збільшується навантаження на невитратній електрод. З урахуванням того, що у випадку плавки титану захист невитратного електрода графітом є неможливим внаслідок насичення титану вуглецем, збільшення струмового навантаження на електрод веде до інтенсивної його електроерозії.

Вказані обставини є істотними вадами описаних способу і пристрою, які обмежують їх використання.

В основу винаходу, що пропонується, поставлена задача вдосконалити відомий спосіб одержання монолітного витратного електрода з титанової губки за допомогою технологічних прийомів, що не вимагають вакуумної системи, схильної до її засмічення хлорідами, і підвищити стійкість невитратного електрода до ерозії.

Поставлена задача вирішена тим, що у запропонованому способі одержання монолітного витратного електрода з титанової губки, який включає подачу титанової губки у плавильний пристрій, плавління її у захисній атмосфері і подальшу розливку розплава, згідно винаходу, титанову губку подають у плавильний пристрій електрошлакової пічи з струмопідвідним кристалізатором і наведеної в ньому шлаковою ванною, а плавління губки ведуть на поверхні металевої ванни за рахунок тепла, що виділяється у шлакової ванні при проходженні електричного струму, з одночасною розливкою путем витягування заготовки з металевої ванни.

Таке рішення забезпечує надійний захист плавильного простору від повітряної атмосфери без застосування вакууму. Між тим шлакова ванна інтенсивно поглинає хлоріди, що виділяються при плавлінні титанової губки. Розвинена поверхня невитратного електрода, яким є струмопідвідна секція кристалізатора, істотно зменшує щільність струму на цьому електроді, що сприяє підвищенню його стійкості до ерозії. Крім того, вільний плавильний простір дозволяє розмістити в ньому ще один невитратний водоохолоджуваний електрод, що приводить до подальшого зниження щільності струму і підвищенню стійкості обох невитратних електродів до ерозії.

Переважно у якості захисної атмосфери використати безкисневі шлаки на основі солей плавикової кислоти, а дзеркало шлакової ванни і заготовку, яку витягують, захищати аргоном.

У цьому випадку забезпечується відсутність у шлаці іонів кисню, здатних окислити титан. Крім того, солі плавикової кислоти при інших рівних умовах забезпечують найбільш високу температуру шлакового розплава. Оскільки аргон важче повітря, їм легше здійснити додатковий захист плавильного простору.

В основу винаходу, що пропонується, поставлена також задача вдосконалити відомий пристрій для здійснення способу одержання монолітного електрода з титанової губки шляхом змінення конструкції струмопідвідного кристалізатора таким чином, щоб він забезпечував різке збільшення ефективного тепловиділення у плавильній зоні без збільшення щільності струму на невитратному електроді.

Ця задача вирішена тим, що запропоновано пристрій для одержання монолітного витратного електрода з титанової губки, який містить плавильний пристрій у вигляді розширеної струмопідвідної водоохолоджуваної секції кристалізатора, формуючий пристрій у вигляді водоохолоджуваної секції кристалізатора по діаметру потрібного витратного електрода, водоохолоджуваний невитратний електрод і джерело живлення, що з'єднано з струмопідвідною секцією і витратним електродом, що витягують, який, згідно винаходу, містить додаткове джерело живлення, що під'єднано до двохпровідної мережі живлення синфазно з основним джерелом живлення і з'єднано з невитратним електродом і витратним електродом, що формується, причому площа поперечного перерізу струмопідвідної секції кристалізатора у 5 - 20 раз перевищує площу перерізу формуючій секції кристалізатора.

Додаткове джерело живлення, з'єднане з невитратним електродом, дає можливість незалежно від теплової потужності, що виділяється у струмопідвідної секції, регулювати тепловкладання у центральної частині шлакової ванни. Завдяки синфазному під'єднанню основного і додаткових джерел живлення до двохпровідної мережі живлення, струм у ланцюзі невитратний електрод - витратний електрод складається зі струмом у ланцюзі струмопідвідна секція - витратний електрод і забезпечує підвищення щільності струму на контактовому опорі шлак-металева ванна. Крім того, зменшення площі поперечного перерізу формуючій секції кристалізатора у 5 - 20 раз в порівнянні з площею поперечного перерізу струмопідвідної секції кристалізатора дозволяє істотно підвищити щільність струму у цьому місці. В результаті, при порівняно невеликої щільності струму на невитратному електроді і у струмопідвідної секції кристалізатора, що дозволяє тривало вести електрошлаковий процес без істотної ерозії струмопідвідних поверхонь, вдається забезпечити таку щільність струму, а отже і питому теплову потужність на контактовому опірі шлак - металева ванна, що тепла, яке виділяється, вистачає і на плавління губки, і на підтримання спільної металевої ванни у формуючій секції кристалізатора, що забезпечує задовільне формування витратного електрода, що витягується з цієї секції.

Зменшення площі поперечного перерізу формуючій секції менше, ніж у 5 разів не забезпечує досить високої щільності струму для плавління губки і формування зливка. Зменшення площі поперечного перерізу формуючій секції більш, ніж у 20 раз створює труднощі у подачі губки великих фракцій.

Технічна суть і принцип дії винаходу пояснюються на прикладах виконання з посиланням на фіг. на який схематично показаний процес електрошлакової виплавки витратного електрода з титанової губки у струмопідвідному кристалізаторі.

Спосіб одержання монолітного витратного електрода з титанової губки складається з наведення шлакової ванни у плавильному просторі електрошлакової пічи з струмопідвідним кристалізатором і додатковим водоохолоджуваним невитратним електродом, яку розташовано у камері з захисною газовою атмосферою, подачі титанової губки у цей плавильний простір, плавління цієї губки на поверхні металевої ванни шляхом пропускання електричного струму через шлакову ванну і одночасного витягування заготовки з металевої ванни.

Для реалізації способу одержання монолітного витратного електрода з титанової губки пропонується пристрій як приклад, але не обмеження. В камері 1, заповнюваної аргоном, розміщені водоохолоджувані струмопідвідна секція 2, проміжна секція З і формуюча секція 4, зібрані у струмопідвідний кристалізатор через ізолюючі прокладки 5. Поперечний переріз струмопідвідної секції 2 у 5 - 20 раз більше поперечного перерізу формуючей секції 4. Шлакова ванна 6 заповнює плавильний простір кристалізатора таким чином, що вона контактує і з струмопідвідною секцією 2, і з формуючою секцією 4. В формуючей секції розташовують витратний електрод 7, що представляє собою зливок, що формується з металевої ванни 8 і витягується униз з формуючей секції 4. Одно з двох джерел живлення 9 під'єднано до струмопідвідної секції 2 і до витратного електрода 7 через піддон 10. Друге джерело живлення під'єднують до витратного електрода 7 через піддон 10 і до невитратного водоохолоджуваного електрода 11, який занурено у шлакову ванну 6. Обидва джерела живлення 9 під'єднані до двохпровідної мережі живлення А і В синфазно. Це забезпечує складання обох струмів у шлакової ванні б на контактовому опорі шлак-металева ванна.

Титанову губку 12 подають у шлакову ванну 6 за допомогою дозатора 13.

Процес виплавки витратного електрода 7 з титанової губки починають з заповнення камери 1 аргоном, заливання рідкого шлаку 6 у плавильний простір кристалізатора на піддон 10, що встановлено усередині формуючій секції 4 таким чином, щоб верхній зріз піддону 10 розташовувався декілька нижче верхнього зрізу формуючій секції 4, і включення джерел живлення 9. Шлакова ванна б, яка у рідкому стані є струмопровідною, замикає електричні ланцюги струмопідвідна секція 2 - піддон 10 - витратний електрод 7 і невитратний електрод 11 - піддон 10 -витратний електрод 7, по яких починає протікати струм, який гріє шлакову ванну б до температури 1600 - 17007"С. Величину цього струму регулюють шляхом змінення напруги холостого ходу у ланцюзі струмопідвідна секція 2 - піддон 10 - витратний електрод 7 і зміненням величини занурення невитратного електрода 11 у шлак б у ланцюзі невитратний електрод 11 - піддон 10 - витратний електрод 7. Після прогрівання шлакової ванни до вказаної температури на шлакову ванну 6 у плавильний простір кристалізатора за допомогою дозатора 13 подають титанову губку 12. Завдяки трохи більш високої щільності, ніж має шлак, титанова губка опускається, гріючись у шлакової ванні 6, на піддон 10, де і відбувається її плавління у зоні контактового опіру шлак - піддон з утворенням металевої ванни 8.

По мірі розплавління губки у формуючій секції встановлюється тепловий баланс між кількістю рідкого і скристалованого металу. Витягуючи зливок 7 (витратний електрод), що створюється, з формуючій секції 4 за піддон 10, підтримують за допомогою будь-яких відомих способів (наприклад, за допомогою індуктивного датчика рівня) постійний рівень рідкої металевої ванни у формуючій секції.

В реальному випадку здійснення виплавки витратного електрода з титанової губки по способу, що заявляється, конкретні дані такі:

В струмопідвідному кристалізаторі з внутрішним діаметром струмопідвідної секції З5Омм і внутрішнім діаметром формуючій секції 100мм здійснювали електрошлакове плавлення титанової губки фракційного складу 12 - 20мм під шлаком з чистого фтористого кальцію. Висота шлакової ванни у струмопідвідної секції 40мм. Діаметр водоохолоджуваного невитратного електрода 100мм. Глибина його занурення у шлак 40мм.

Потужність у ланцюзі струмопідвідна секція - піддон - 340 - З80кВт при струмі 9 - 9,5КА, потужність у ланцюзі невитратний електрод - піддон - 190 - 200кВт при струмі 4,8 - 5,2КкА. При цьому сумарний струм, що проходить у перерізі формуючій секції, становить 13,8 - 14,7кКА. Вказаний режим забезпечував щільності струму: на струмопідвідної секції 0,205 - 0,216А/мм?, на невитратному електроді 0,235 - 0,255А/мм?, на металевої ванні у формуючей секції 1,76 - 1,87А/мм?. Плавка постікала протягом 1 години. При цьому вказані щільності струму забезпечили достатню стійкість і струмопідвідної секції, І невитратного електрода від ерозії протягом всього часу виплавки. Між тим підвищення у 7 - 8 разів щільності струму на металевої ванні забезпечило і плавління титанової губки, і формування суцільного монолітного витратного електрода.

Винахід може бути використано з найбільшим ефектом при виробництві витратних електродів з титанової губки для подальшого вакуумнодугового переплавлення.

Е і шк 13 Фев : ди дуття й ПЕК ото: ВВ з А ; ьо вл до 1 й в й

Ш-- 7 | -

Фіг. що

Claims (3)

1. Спосіб одержання монолітного витратного електрода з титанової губки, який включає подачу титанової губки у плавильний пристрій, плавління її у захисній атмосфері і подальшу розливку розплава, який відрізняється тим, що титанову губку подають у плавильний пристрій електрошлакової пічи з струмопідвідним кристалізатором і наведеною в ньому шлаковою ванною, а плавління губки ведуть на поверхні металевої ванни за рахунок тепла, що виділяється у шлакової ванні при проходженні електричного струму з одночасною розливкою путем витягування заготовки з металевої ванни.

2. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що як захисну атмосферу використовують безкисневі шлаки на основі солей плавикової кислоти, а дзеркало шлакової ванни і заготовку, яку витягують, захищають аргоном.

3. Пристрій для одержання монолітного витратного електрода з титанової губки, який містить плавильний пристрій у вигляді розширеної струмопідвідної водоохолоджуваної секції кристалізатора, формуючий пристрій у вигляді водоохолоджуваної секції кристалізатора по діаметру потрібного витратного електрода, водоохолоджуваний невитратний електрод і джерело живлення, що з'єднано з струмопідвідною секцією і витратним електродом, що витягують, який відрізняється тим, що містить додаткове джерело живлення, що під'єднано до двохпровідної мережі живлення синфазно з основним джерелом живлення і з'єднано з невитратним електродом і витратним електродом, що формується, причому площа поперечного перерізу струмопідвідної секції кристалізатора у 5-20 разів перевищує площу перерізу формуючей секції кристалізатора.