WO2010068140A1 - Method and apparatus for electron-beam or plasma-jet melting of metal from a crystallizer into a crystallizer - Google Patents

Method and apparatus for electron-beam or plasma-jet melting of metal from a crystallizer into a crystallizer Download PDF

Info

Publication number
WO2010068140A1
WO2010068140A1 PCT/RU2009/000678 RU2009000678W WO2010068140A1 WO 2010068140 A1 WO2010068140 A1 WO 2010068140A1 RU 2009000678 W RU2009000678 W RU 2009000678W WO 2010068140 A1 WO2010068140 A1 WO 2010068140A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
mold
charge
metal
melting
crystallizer
Prior art date
Application number
PCT/RU2009/000678
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Евгеньевич ВОЛКОВ
Original Assignee
Volkov Anatoliy Evgenevich
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 Volkov Anatoliy Evgenevich filed Critical Volkov Anatoliy Evgenevich
Publication of WO2010068140A1 publication Critical patent/WO2010068140A1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16Remelting metals
    • C22B9/22Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation
    • C22B9/226Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation by electric discharge, e.g. plasma
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16Remelting metals
    • C22B9/22Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation
    • C22B9/228Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation by particle radiation, e.g. electron beams
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B19/00Combinations of furnaces of kinds not covered by a single preceding main group
    • F27B19/02Combinations of furnaces of kinds not covered by a single preceding main group combined in one structure

Definitions

  • the present invention relates to the field of foundry and can be used for casting any metals, including refractory and chemically active ones.
  • the main advantage of the plasma or electron beam method of melting into a flat crystallizer is the possibility of producing flat ingots of a sufficiently high quality cleaning up.
  • the main disadvantages include the complexity of the equipment, due to the need to place a moving mold inside the melting chamber, and, as a consequence, the need to make a significant size melting chamber.
  • the large size of the melting chamber leads to significant energy consumption for its evacuation and filling with argon.
  • the known method has a sufficiently long production cycle, does not provide the full penetration depth of the mixture and has limited possibilities of averaging the chemical composition of the mixture.
  • the closest technical solution is an industrial furnace for electron beam remelting with a cold hearth of the American company Johnson [A.A.
  • the resulting liquid metal drops or (with sufficient electron beam power) flow continuously from the cooled crucible into a sliding cooled crystallizer, forming an ingot of the required size.
  • Such a remelting method can also be referred to as electron beam remelting with an intermediate capacity or melting from a crystallizer to a crystallizer.
  • the known method for the purpose and scheme of its implementation is similar to the method of plasma remelting, widely used in industry.
  • a deeper purification of metal from gas impurities since the molten metal in a vacuum is retained for a long time, providing the necessary quality of metal refining.
  • the disadvantages of the known method and device for its implementation include the large overall dimensions of the mold and, accordingly, the large overall dimensions of the melting chamber, which requires significant energy consumption for evacuating the melting chamber and for drawing out evaporating gases and metals from the melting chamber.
  • Large overall dimensions of the melting chamber lead to heat loss during the melting process, require significant production areas for the placement and implementation of the melting process. Since a new portion of the charge constantly enters the cooled crucible, one or two guns are installed to melt it, and the crucible, at the end of which the metal is melted, is heated by its volume and, due to its considerable mass, takes part of the heat, and, therefore, excessively consumes part of the energy of the beam guns.
  • the molten metal is in a shallow crucible and, pouring into a cooled sliding mold, consumes heat at the stage of forming the ingot, which additionally leads to unproductive losses of thermal energy of one of the guns.
  • beam furnaces surpass all known metal melting furnaces, for example, titanium (vacuum-arc, plasma, induction, skull, etc.) with refining capabilities, but they do not allow to obtain a strictly regulated, uniformly distributed chemical composition along the length ingot.
  • the task was to reduce the size of the smelting plants and to increase the efficiency of the metal melting process by reducing energy consumption, increasing the volume of smelted metal, while reducing the production cycle and maintaining the refining properties of electron beam furnaces.
  • the claimed device for electron beam or plasma smelting of metal from a crystallizer into a mold which contains a vacuum melting chamber equipped with electron beam or plasma guns made with the possibility of moving their rays and placed in the upper part of the melting chamber, mold, one of which is designed for the charge, and the second for the ingot and is made cooled
  • the mold for the charge is located inside the melting chamber above the mold for the ingot and is shifted relative to the latter, providing the possibility of overflow of metal from the mold into the mold, characterized in that the melting chamber is made with a removable tray, the molds are installed in the melting chamber and mounted on a removable tray, while the mold for the ingot is fixed by the edges to the tray of the melting chamber so so that its upper part is connected to the mold with the melting chamber, and its lower part is under the melting chamber, the mold for the charge is installed n inside the melting chamber and is equipped with a groove that is made in the side of the mold for the charge from the side of the mold for the ingot, the
  • the melt from the crystallizer for the charge flows into the mold for the ingot (lower crystallizer) through a special groove, which is mainly made in the form of a slit.
  • the mold for the charge (upper mold) combines the functions of the charge container and the intermediate tank or the cooled crucible, and the groove, which is made in its side wall, is covered along its entire length with a plate of the same metal as the charge, but already refined. In this case, the mold groove for the charge does not reach a certain distance to its bottom, excluding the possibility of overflow of contaminants accumulating in the lower part of the mold for the charge.
  • the mold for the charge can be made almost completely overlapping the transverse plane of the melting chamber, with the exception of the sector that communicates with the mold for the ingot (bottom mold).
  • the inventive method of electron beam or plasma melting from a crystallizer to a crystallizer consists in loading a charge into a charge crystallizer located inside a vacuum melting chamber with a removable tray, melting the charge by heating it with electron beam guns or plasma torches to form a molten metal, the resulting molten metal is poured into the ingot mold, supported by its edges on a removable tray and located below and with an offset relative to the catalyst for I charge, the discharge of molten metal from the mold for the charge is carried out through a groove located in its side wall, by melting the corresponding sector of the removable plate covering the groove, while the removable plate is made of refined metal corresponding to the metal of the mixture, the melting of the plate is carried out sequentially from top to bottom as the formation of the molten metal in the mold for the charge, the molten metal in the mold for the ingot cooled with the formation of the ingot, and impurities accumulated on the bottom of the mold for the charge are removed.
  • the proposed method is periodic and its essence is that the charge is loaded into the crystallizer for the charge in full, and after evacuation of the melting chamber, the charge is sequentially melted by heating with electron beam guns or plasma torches.
  • it is refined from impurities, after which the refined melt is poured in portions into the mold for ingot.
  • the refined metal is drained into an ingot mold (lower mold) through a smelting plate made of the same refined metal.
  • the mold for the ingot is cooled and stationary, located outside the melting chamber, i.e. an ingot is formed during cooling of the mold.
  • the plate is laid in the mold for the charge (upper mold) is carried out before loading the charge.
  • Periodic scanning is carried out by appropriately controlling the beams of the electron beam guns or plasmatrons, so that the first line of the molten metal is formed in the direction from the melted plate to the opposite side of the mold for the charge.
  • the deposited metal bath from the cleaned plane of the upper mold merges into the mold for the ingot (lower mold).
  • the metal is drained due to the fact that only the part of the plate that corresponds to the depth of the melted and cleaned melt pool is melted with a beam or plasmatron.
  • the purified metal melt is poured into the ingot mold (lower mold) due to the fact that as a result of penetration a removable plate at an appropriate height of the side wall of the mold for the charge (upper mold), the groove opens at the level of the molten metal and the molten metal merges. The process is repeated until the metal is completely drained from the crystallizer for the charge (upper crystallizer). After the removable plate is melted along the entire length of the groove, the entire metal melt is poured into the ingot mold (lower mold), except for the metal that remains on the bottom of the mold for the charge (upper mold).
  • the manufacture of a groove with a length shorter than the height of the side wall of the mold for the charge prevents the ingot from becoming contaminated with impurities deposited on the bottom of the mold for the charge (upper mold).
  • the hydrodynamic cleaning method is used, in which heavy impurities settle on the bottom of the mold for the charge, since the groove does not reach its bottom vertically, forming a ledge that holds heavy impurities.
  • the metal is melted in such a way that the metal melt is cleaned of heavy and light inclusions on the approach to the removable plate.
  • the mold for the charge (upper mold) is displaced relative to the mold for the ingot (lower mold) so that the drain is located in its center or near the edge of the mold for the ingot (lower mold).
  • Both molds are mounted on a pallet of the melting chamber.
  • the removal of the pan with molds can be provided by stationary hydraulic and pneumatic devices or by independent mechanisms, for example, by driving up an electric car.
  • the place for sealing the melting chamber is mainly its connection to the pallet, which allows for good access to loading and unloading and to reduce the risk of leakage into the melting chamber. Unloading of crystallizers is carried out on the opposite side of the vacuum nozzle connected to the vacuum system.
  • the inventive method is carried out using the installation, the cross section A-A and a top view of which is shown in figure 1.
  • the device contains electron beam guns 1, the housing of each of which can be located at different angles with respect to the axis of the housing of the melting chamber 2, which is closed from below by a pallet 3, on which a cooled mold for the charge (upper mold) 4 is conical in shape and a mold for the ingot (lower mold) 5.
  • Crystallizers 4 and 5 are made of copper.
  • the melting chamber 2 with the pallet 3 are mounted using bolted connections, through the sealing vacuum rubber.
  • the mixture 6 is pressed or pressed into the briquette 6.
  • the crystallizers 4 and 5 are mounted on the pallet 3, the required vacuum is created in the melting chamber 2 through the pipe 7.
  • the charge melted by heating with an electron beam 8 to form a metal bath 9.
  • the charge 6 is melted over the entire area of the mold 4 for the charge, not reaching a certain distance to its perimeter, i.e. with the exception of the area located near the walls of the mold 4 for the charge.
  • the metal bath 9 emanating from one or more guns 1, is moved along the metal surface until the contour of the metal bath 9 reaches the walls of the mold 4 for the charge, i.e. the melting of the charge b is carried out in such a way that the beam 8 at the stage of forming the metal bath 9 does not melt the walls of the mold 4 for the charge.
  • the melt is poured into the mold 5 for ingot due to penetration by the beam 8 of a plate 10 made of the same metal as the charge 6, but only previously refined.
  • the plate 10 is installed in the mold 4 for the charge before loading the charge b, so as to overlap the vertical groove 11 made in the side wall of the mold 4 for the charge.
  • the groove 11 does not reach the bottom of the mold 4 for the charge, i.e. ends at a certain height d from the bottom of the mold 4.
  • the depth of penetration of the plate 10 and the opening of the groove 11 should be less than the depth of the melt bath h, about 20 ⁇ 30%.
  • the process is monitored using sensors 12, combined with security cameras installed in the body of the melting chamber 2.
  • the electron guns 1 should be installed in such a way in the melting chamber 2 so that they can most effectively overlap the surface in the mold 4, melt the plate 10 and heat, if necessary, the molten metal in the mold 5. 678
  • Figure 2 shows the inventive installation section B-B and a top view similar to the installation according to Fig. 1, characterized in that plasmatrons 1 are used for heating, and the crystallizer 4 is made V-shaped, which allows three to five times more metal to be accommodated in comparison with a round or cone-shaped crystallizer and allows filling almost the entire perimeter of the melting chamber 2 with the exception of a small sector through which the metal bath 9 is drained into the lower mold 5.
  • Figure 2 shows a sector with an angle of 90 ° through which the metal is drained, but this sector can also occupy a smaller angle. This design of the mold allows the metal to be cleaned not only of heavy and light inclusions, but also to clean metal and non-metallic inclusions present in the alloy due to zone melting.
  • beam 8 fusing a narrow strip 14, drives it from one wall of the mold 4 to the other from side A to C and from side B to D.
  • the melt strip always passes in one direction, like a light strip in the scanner, reaching sides C and D, beam 8 again begins to melt the metal from sides B and A.
  • the metal bath 9 is melted to a depth h, then the plate 10 is melted and the molten metal bath 9 merges into crist alligator 5 for the ingot.
  • FIG. 1 The technical result achieved by the claimed device (Fig. 1) is illustrated by the following comparative analysis with an electron beam furnace (known ELP) operated by Composite OJSC (Korolev, Moscow Region) - four electron beam guns of 250 each 678
  • ELP electron beam furnace
  • Composite OJSC Kelev, Moscow Region
  • the volume of the furnace is 10 m 3
  • the volume of the pipelines of the vacuum system is 12 m 3
  • the pumping time is 1.5 hours
  • the melting time is 1 hour
  • the cooling time is 1.5 hours, i.e. full cycle of the furnace - 4 hours.
  • Unloading-loading which is 1.5 hours, takes extra time.
  • the cost of the furnace is about 1 million € (36 million rubles), which consists of the cost of the main components listed in Table 1.
  • New ELP (table 1), which includes four electron beam guns, each with a power of 250 kW, a mold 4 for a charge with a diameter of 800 mm and a depth of 600 mm, a charge of a titanium charge with a tight package of 1000 kg. Due to the fact that all four guns can be aimed at smelting a metal bath, this will significantly increase the melting rate and will reduce the amount of energy due to lower heat losses.
  • the new ELP with the same number of guns 1 at the same time allows melt 1000 kg of titanium versus 210 kg (known ELP), i.e. the volume of smelted metal increases significantly.
  • the dimensions of the new EBL are Z ⁇ Zx 4m, while the dimensions of the known EBL are 15x 20 ⁇ 12m.
  • the rays 8 begin to melt the next layer of metal already heated to the melting point, located in the mold 4;
  • the inventive method allows to obtain ingots of round, square or rectangular shapes, to conduct the process with one or more guns (or plasmatrons), to carry out the melting process without the use of filling feed and exhaust devices for evaporating metal.
  • a mold for the charge (upper mold) combines the functions of a hopper and an intermediate tank. Due to the use of the possibility of deviation of the beam from the central axis, the design of the device is greatly simplified, without requiring the use of mechanisms for feeding the charge, moving the mold and drawing the ingot, which significantly increases reliability and significantly reduces the cost.
  • the inventive design has a minimum volume of the melting chamber, since the internal configuration of the cavity of this chamber occupies a space only for accommodating molds and moving the beam. This feature allows you to reduce the cost of installation design, reduce the cost of the vacuum system and reduce the time for pumping air from the melting chamber. Table 1

Abstract

The invention relates to the sphere of foundry work and can be used for casting any metals, including high-melting and chemically active metals. Electron-beam or plasma-jet melting of metal from a crystallizer into a crystallizer is carried out in a vacuum melting chamber (2) that is equipped with electron-beam or plasma-jet guns (1) which have moveable beams (8) and are arranged in the upper part of the melting chamber (2). The apparatus comprises two crystallizers (4) and (5), one of which is intended for a melting stock (6) while the second is intended for an ingot (13) and is cooled. The crystallizer (4) is arranged inside the melting chamber (2) above the crystallizer (5) and is offset from the latter, thereby ensuring that the metal (9) can be transferred. The crystallizer (5) is fastened by the edges thereof behind the tray (3) of the melting chamber (2) in such a way that the upper part of the crystallizer (5) communicates with the melting chamber (2) while the lower part of said crystallizer is located below the melting chamber. The crystallizer (4) has a slot (11) in the lateral part thereof on the side on which the crystallizer (5) is situated. The entire length of the slot (11) is covered by a removable plate (10) which is formed from refined metal corresponding to the metal melting stock. The melting stock (6) is melted in conjunction with zone refining by periodically scanning the surface of the metal (9) with the beam (8) in a direction from the plate (10) to the opposite side of the crystallizer (4) over a set period of time.

Description

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННО- ЛУЧЕВОЙ ИЛИ METHOD AND DEVICE OF ELECTRON BEAM OR
ПЛАЗМЕННОЙ ПЛАВКИ ИЗ КРИСТАЛЛИЗАТОРА ВPLASMA FUSION FROM CRYSTALIZER IN
КРИСТАЛЛИЗАТОРCRYSTALIZER
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ Предлагаемое изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для литья любых металлов, включая тугоплавкие и химически активные.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of foundry and can be used for casting any metals, including refractory and chemically active ones.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ В литературе и технике широко известны различные конструкции электронно-лучевых или плазменных устройств, позволяющих реализовать способ плавления металлов.BACKGROUND OF THE INVENTION Various structures of electron-beam or plasma devices are widely known in the literature and technology that make it possible to realize a method of melting metals.
Известен способ и устройство плазменной или электронно-лучевой плавки в плоский кристаллизатор, разработанный американской фирмой "Frапkеl" [А.А. Андреев «Плaвкa и литьё титановых cплaвoв», Москва, "Металлургия". 1994г., cтp.l79÷180]. В известном способе плавление шихты осуществляют плазменной горелкой в плоском кристаллизаторе, который выполнен перемещающимся внутри плавильной камеры, заполненной аргоном, при этом плазменная горелка выполнена с возможностью ее перемещения вверх и вниз, а также с возможностью движения луча вокруг центральной оси, шихта из загрузочного устройства порционно загружается в кристаллизатор, каждая последующая порция загружается по мере проплавления ранее загруженной порции шихты до тех пор пока слиток не достигнет нужной толщины или массы. Полученный слиток в дальнейшем используют в качестве расходуемого электрода при вакуумно-дуговом переплаве. Печи с электронно-лучевым (плазменным) нагревом выпускаются в промышленном масштабе.A known method and device for plasma or electron beam melting in a flat crystallizer developed by the American company "Frapel" [A.A. Andreev "Smelting and casting of titanium alloys", Moscow, "Metallurgy". 1994, pp. L79 ÷ 180]. In the known method, the charge is melted by a plasma torch in a flat crystallizer, which is made moving inside the melting chamber filled with argon, while the plasma torch is made with the possibility of its movement up and down, as well as with the possibility of the beam moving around the central axis, the charge from the loading device is portioned loaded into the mold, each subsequent portion is loaded as the previously loaded portion of the charge is melted until the ingot reaches the desired thickness or m ssy. The resulting ingot is subsequently used as a consumable electrode in a vacuum-arc remelting. Furnaces with electron beam (plasma) heating are available on an industrial scale.
Основным преимуществом метода плазменного или электроннолучевого способа плавления в плоский кристаллизатор является возможность получения плоских слитков достаточно высокого качества очистки. К основным недостаткам следует отнести сложность оборудования, обусловленная необходимостью размещения внутри плавильной камеры движущегося кристаллизатора, и, как следствие, необходимостью выполнения плавильной камеры значительных размеров. Большие размеры плавильной камеры обуславливают значительные энергорасходы на ее вакуумирование и заполнение аргоном. Кроме того, известный способ имеет достаточно длительный производственный цикл, не обеспечивает полную глубину проплавления шихты и имеет ограниченные возможности усреднения химического состава шихты. Наиболее близким техническим решением является промышленная печь для электронно-лучевого переплава с холодным подом американской фирмы «Johnson» [А.А. Андреев «Плaвкa и литьё титановых cплaвoв», Москва, "Металлургия", 1994 г., cтp.l82÷184), содержащая четыре электронно-лучевые пушки, общей мощностью 2000кВт, шихтовой бункер, сообщенный с вакуумной плавильной камерой, внутри которой размещены охлаждаемый тигель и кристаллизатор, при этом охлаждаемый тигель установлен над кристаллизатором, а кристаллизатор выполнен скользящим. Исходный материал в виде шихты, губки, порошка или гранул подается с определенной скоростью из шихтового бункера в охлаждаемый тигель, в котором под воздействием электронного луча ведут плавление шихты. Образующийся жидкий металл каплями или (при достаточной мощности электронного луча) непрерывной струёй перетекает из охлаждаемого тигля в скользящий охлаждаемый кристаллизатор, образуя слиток нужного размера. Такой метод переплава может быть так же поименован как электронно- лучевой переплав с промежуточной ёмкостью или плавление из кристаллизатора в кристаллизатор.The main advantage of the plasma or electron beam method of melting into a flat crystallizer is the possibility of producing flat ingots of a sufficiently high quality cleaning up. The main disadvantages include the complexity of the equipment, due to the need to place a moving mold inside the melting chamber, and, as a consequence, the need to make a significant size melting chamber. The large size of the melting chamber leads to significant energy consumption for its evacuation and filling with argon. In addition, the known method has a sufficiently long production cycle, does not provide the full penetration depth of the mixture and has limited possibilities of averaging the chemical composition of the mixture. The closest technical solution is an industrial furnace for electron beam remelting with a cold hearth of the American company Johnson [A.A. Andreev “Smelting and casting of titanium alloys”, Moscow, “Metallurgy”, 1994, pp. L82 ÷ 184), containing four electron-beam guns, with a total capacity of 2000 kW, a bunker in communication with a vacuum melting chamber, inside of which there is a cooled the crucible and the mold, while the cooled crucible is installed above the mold, and the mold is made sliding. The source material in the form of a charge, sponge, powder or granules is supplied at a certain speed from the charge hopper to a cooled crucible, in which the charge is melted under the influence of an electron beam. The resulting liquid metal drops or (with sufficient electron beam power) flow continuously from the cooled crucible into a sliding cooled crystallizer, forming an ingot of the required size. Such a remelting method can also be referred to as electron beam remelting with an intermediate capacity or melting from a crystallizer to a crystallizer.
Известный способ по назначению и схеме его осуществления аналогичен способу плазменного переплава, широко используемому в промышленности. Однако, в отличие от способа плазменного переплава, в известном способе возможна более глубокая очистка металла от газовых примесей, так как расплав металла в вакууме удерживается в течение длительного времени, обеспечивая необходимое качество рафинирования металла.The known method for the purpose and scheme of its implementation is similar to the method of plasma remelting, widely used in industry. However, in contrast to the method of plasma remelting, in the known method, a deeper purification of metal from gas impurities, since the molten metal in a vacuum is retained for a long time, providing the necessary quality of metal refining.
К недостаткам известного способа и устройства для его осуществления следует отнести большие габаритные размеры кристаллизатора и, соответственно, большие габаритные размеры плавильной камеры, что требует значительных энергозатрат на вакуумирование плавильной камеры и на вытяжку испаряющихся газов и металлов из плавильной камеры. Большие габаритные размеры плавильной камеры приводят к потерям тепла при проведении процесса плавления, требуют значительных производственных площадей для размещения и осуществления процесса плавления. Поскольку в охлаждаемый тигель постоянно поступает новая порция шихты, то одну или две пушки устанавливают на её расплавление, а тигель, на торце которого сплавляется металл, нагревается по своему объёму и за счёт значительной своей массы, забирает на себя часть тепла, а, следовательно, избыточно потребляет часть энергии лучевых пушек. Более того, расплав металла, находится в неглубоком тигле и, переливаясь в охлаждаемый скользящий кристаллизатор, потребляет тепло на стадии формирования слитка, что дополнительно приводит к непроизводительным потерям тепловой энергии одной из пушек. Известно, что лучевые печи превосходят рафинирующими возможностями все известные печи по плавлению металла, например, титана, (вакуумно-дуговые, плазменные, индукционные, гарнисажные и т.п.), но при этом не позволяют получать жёстко регламентированный, равномернораспределённый химический состав по длине слитка. В настоящее время попытки объединить в единой конструкции возможность переплава шихты любого состава, рафинирования её от примесей с выходом в итоге готового слитка, приводит к тому, что затраты, вложенные на строительство печи, её эксплуатацию и обслуживание, а так же качество производимых слитков не оправдывает ожиданий металлургов. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯThe disadvantages of the known method and device for its implementation include the large overall dimensions of the mold and, accordingly, the large overall dimensions of the melting chamber, which requires significant energy consumption for evacuating the melting chamber and for drawing out evaporating gases and metals from the melting chamber. Large overall dimensions of the melting chamber lead to heat loss during the melting process, require significant production areas for the placement and implementation of the melting process. Since a new portion of the charge constantly enters the cooled crucible, one or two guns are installed to melt it, and the crucible, at the end of which the metal is melted, is heated by its volume and, due to its considerable mass, takes part of the heat, and, therefore, excessively consumes part of the energy of the beam guns. Moreover, the molten metal is in a shallow crucible and, pouring into a cooled sliding mold, consumes heat at the stage of forming the ingot, which additionally leads to unproductive losses of thermal energy of one of the guns. It is known that beam furnaces surpass all known metal melting furnaces, for example, titanium (vacuum-arc, plasma, induction, skull, etc.) with refining capabilities, but they do not allow to obtain a strictly regulated, uniformly distributed chemical composition along the length ingot. Currently, attempts to combine the possibility of remelting a mixture of any composition in a single design, refining it from impurities with the yield of a finished ingot, leads to the fact that the costs invested in the construction of the furnace, its operation and maintenance, as well as the quality of the produced ingots do not justify expectations of metallurgists. SUMMARY OF THE INVENTION
В предлагаемом изобретении была поставлена задача уменьшения габаритов плавильных установок и повышения эффективности процесса плавления металлов за счёт снижения энергозатрат, повышения объема выплавляемого металла, при сокращении производственного цикла и сохранения рафинирующих свойств электронно-лучевых печей.In the present invention, the task was to reduce the size of the smelting plants and to increase the efficiency of the metal melting process by reducing energy consumption, increasing the volume of smelted metal, while reducing the production cycle and maintaining the refining properties of electron beam furnaces.
Поставленная задача решается тем, что заявляется устройство для электронно-лучевой или плазменной плавки металла из кристаллизатора в кристаллизатор, которое содержит вакуумную плавильную камеру, снабженную электронно-лучевыми или плазменными пушками, выполненными с возможностью перемещения их лучей и размещенных в верхней части плавильной камеры, два кристаллизатора, один из которых предназначен для шихты, а второй для слитка и выполнен охлаждаемым, кристаллизатор для шихты расположен внутри плавильной камеры над кристаллизатором для слитка и смещен относительно последнего, обеспечивая возможность перелива металла из кристаллизатора в кристаллизатор, отличающееся тем, что плавильная камера выполнена со съемным поддоном, кристаллизаторы установлены в плавильной камере и закреплены на съемном поддоне, при этом кристаллизатор для слитка закреплен краями за поддон плавильной камеры таким образом, что своей верхней частью кристаллизатор для слитка сообщен с плавильной камерой, а его нижняя часть находится под плавильной камерой, кристаллизатор для шихты установлен внутри плавильной камеры и снабжен пазом, который выполнен в боковой части кристаллизатора для шихты со стороны размещения кристаллизатора для слитка, длина паза меньше высоты боковой стенки кристаллизатора для шихты, паз по всей длине закрыт съемной пластиной, выполненной из рафинированного металла, соответствующего металлу шихты.The problem is solved by the fact that the claimed device for electron beam or plasma smelting of metal from a crystallizer into a mold, which contains a vacuum melting chamber equipped with electron beam or plasma guns made with the possibility of moving their rays and placed in the upper part of the melting chamber, mold, one of which is designed for the charge, and the second for the ingot and is made cooled, the mold for the charge is located inside the melting chamber above the mold for the ingot and is shifted relative to the latter, providing the possibility of overflow of metal from the mold into the mold, characterized in that the melting chamber is made with a removable tray, the molds are installed in the melting chamber and mounted on a removable tray, while the mold for the ingot is fixed by the edges to the tray of the melting chamber so so that its upper part is connected to the mold with the melting chamber, and its lower part is under the melting chamber, the mold for the charge is installed n inside the melting chamber and is equipped with a groove that is made in the side of the mold for the charge from the side of the mold for the ingot, the length of the groove is less than the height of the side wall of the mold for the mixture, the groove is covered over the entire length by a removable plate made of refined metal corresponding to the metal of the mixture.
В заявляемом устройстве при плавлении шихты применяются два кристаллизатора, размещённые один над другим, таким образом, что 9 000678In the inventive device, when melting the charge, two crystallizers are used, placed one above the other, so that 9 000678
5 расплав из кристаллизатора для шихты (верхний кристаллизатор), стекает в кристаллизатор для слитка (нижний кристаллизатор) через специальный паз, который преимущественно выполнен в виде щели. Кристаллизатор для шихты (верхний кристаллизатор) совмещает функции контейнера шихты и промежуточной ёмкости или охлаждаемого тигля, а паз, который выполнен в его боковой стенке, по всей своей длине закрыт пластиной из того же металла, что и шихта, но уже рафинированного. При этом паз кристаллизатора для шихты не доходит некоторого расстояния до его днища, исключая возможность перелива загрязнений, скапливающихся в нижней части кристаллизатора для шихты. Для повышения производительности и снижения стоимости плавления, кристаллизатор для шихты (верхний кристаллизатор) может быть выполнен практически полностью перекрывающим поперечную плоскость плавильной камеры, за исключением сектора, сообщающегося с кристаллизатором для слитка (нижний кристаллизатор).5, the melt from the crystallizer for the charge (upper crystallizer) flows into the mold for the ingot (lower crystallizer) through a special groove, which is mainly made in the form of a slit. The mold for the charge (upper mold) combines the functions of the charge container and the intermediate tank or the cooled crucible, and the groove, which is made in its side wall, is covered along its entire length with a plate of the same metal as the charge, but already refined. In this case, the mold groove for the charge does not reach a certain distance to its bottom, excluding the possibility of overflow of contaminants accumulating in the lower part of the mold for the charge. To increase productivity and reduce the cost of melting, the mold for the charge (upper mold) can be made almost completely overlapping the transverse plane of the melting chamber, with the exception of the sector that communicates with the mold for the ingot (bottom mold).
Заявляемый способ электронно-лучевой или плазменной плавки из кристаллизатора в кристаллизатор заключается в том, что шихту загружают в кристаллизатор для шихты, расположенный внутри вакуумной плавильной камеры со съемным поддоном, плавление шихты осуществляют путем ее нагрева электронно- лучевыми пушками или плазмотронами с образованием расплава металла, образующийся расплав металла переливают в кристаллизатор для слитка, опирающийся своими краями на съемном поддоне и расположенный ниже и со смещением относительно катализатора для шихты, слив расплавленного металла из кристаллизатора для шихты осуществляют через паз, расположенный в его боковой стенке, путем проплавления соответствующего сектора съемной пластины, закрывающей паз, при этом съемная пластина выполнена из рафинированного металла, соответствующего металлу шихты, проплавление пластины осуществляют последовательно сверху вниз по мере образования расплава металла в кристаллизаторе для шихты, расплав металла в кристаллизаторе для слитка охлаждают с формированием слитка, а примеси, скопившиеся на днище кристаллизатора для шихты, удаляют.The inventive method of electron beam or plasma melting from a crystallizer to a crystallizer consists in loading a charge into a charge crystallizer located inside a vacuum melting chamber with a removable tray, melting the charge by heating it with electron beam guns or plasma torches to form a molten metal, the resulting molten metal is poured into the ingot mold, supported by its edges on a removable tray and located below and with an offset relative to the catalyst for I charge, the discharge of molten metal from the mold for the charge is carried out through a groove located in its side wall, by melting the corresponding sector of the removable plate covering the groove, while the removable plate is made of refined metal corresponding to the metal of the mixture, the melting of the plate is carried out sequentially from top to bottom as the formation of the molten metal in the mold for the charge, the molten metal in the mold for the ingot cooled with the formation of the ingot, and impurities accumulated on the bottom of the mold for the charge are removed.
Предлагаемый способ является периодическим и его сущность сводится к тому, что шихта загружается в кристаллизатор для шихты в полном объеме, а после вакуумирования плавильной камеры, шихта последовательно плавится путем нагрева электронно-лучевыми пушками или плазмотронами. В процессе плавления металла происходит его рафинирование от примесей, после чего рафинированный расплав порционно переливается в кристаллизатор для слитка. Слив рафинированного металла осуществляют в кристаллизатор для слитка (нижний кристаллизатор) через проплавляемую пластину, выполненную из того же рафинированного металла. Кристаллизатор для слитка выполнен охлаждаемым и неподвижным, находится вне плавильной камере, т.е. слиток формируется в процессе охлаждения кристаллизатора. Закладку пластины в кристаллизатор для шихты (верхний кристаллизатор) осуществляют до загрузки шихты. Для получения слитка с зонной очисткой используют прием периодического сканирования поверхности металла. Периодическое сканирование осуществляют путем соответствующего управления лучами электронно-лучевых пушек или плазмотронов, таким образом, чтобы первая линия расплава металла формировалась по направлению от проплавляемой пластины к противоположной стороне кристаллизатора для шихты. После сканирования металла за один или несколько проходов, то есть после осуществления зонной очистки, наплавленная ванна металла из очищенной плоскости верхнего кристаллизатора сливается в кристаллизатор для слитка (нижний кристаллизатор). Слив металла происходит за счет того, что лучом или плазмотроном проплавляют только ту часть пластины, которая соответствует глубине проплавленной и очищенной ванны расплава. Очищенный расплав металла переливается в кристаллизатор для слитка (нижний кристаллизатор) за счет того, что в результате проплавления съемной пластины на соответствующей высоте боковой стенке кристаллизатора для шихты (верхний кристаллизатор), открывается паз на уровне проплавленного металла и расплав металла сливается. Процесс повторяют до полного слива металла из кристаллизатора для шихты (верхнего кристаллизатора). После проплавления съемной пластины по всей длине паза, весь расплав металла переливается в кристаллизатор для слитка (нижний кристаллизатор), за исключением того металла, который остается на днище кристаллизатора для шихты (верхний кристаллизатор). Изготовление паза длиной, меньшей, чем высота боковой стенки кристаллизатора для шихты, позволяет предотвратить возможность загрязнения слитка примесями, осаждающимися на днище кристаллизатора для шихты (верхний кристаллизатор). Для очистки металла используют метод гидродинамической очистки, при котором тяжёлые примеси оседают на дне кристаллизатора для шихты, так как паз по вертикали не достигает его днища, образуя уступ, удерживающий тяжёлые примеси. Для гарантированного исключения попадания тяжелых примесей в образующийся слиток, плавление металла ведут таким образом, чтобы расплав металла очищался от тяжёлых и лёгких включений на подходе к съемной пластине. При очистке металла от тяжёлых включений подбирают такой режим плавки, когда сначала луч проплавляет ванну расплава определённой глубины, а затем проплавляет пластину, закрывающую вертикальный паз, на меньшую глубину, тем самым, давая стекать расплаву, оставляя тяжёлые включения на дне ванны в верхнем кристаллизаторе. По окончании плавления, часть металла остаётся на дне верхнего кристаллизатора, где скапливаются все тяжёлые включения. Для гарантированного их удержания, паз в верхнем кристаллизаторе выполнен не до самого его днища, образуя естественное препятствие для тяжёлых включений. От лёгких включений металл полностью очищается за счёт тепловой мощности луча, концентрируемой на поверхности ванны металла, куда всплывают лёгкие включения. Попадая под луч, они испаряются и 9 000678The proposed method is periodic and its essence is that the charge is loaded into the crystallizer for the charge in full, and after evacuation of the melting chamber, the charge is sequentially melted by heating with electron beam guns or plasma torches. In the process of metal melting, it is refined from impurities, after which the refined melt is poured in portions into the mold for ingot. The refined metal is drained into an ingot mold (lower mold) through a smelting plate made of the same refined metal. The mold for the ingot is cooled and stationary, located outside the melting chamber, i.e. an ingot is formed during cooling of the mold. The plate is laid in the mold for the charge (upper mold) is carried out before loading the charge. To obtain an ingot with zone cleaning using periodic scanning of the surface of the metal. Periodic scanning is carried out by appropriately controlling the beams of the electron beam guns or plasmatrons, so that the first line of the molten metal is formed in the direction from the melted plate to the opposite side of the mold for the charge. After scanning the metal in one or several passes, that is, after performing zone cleaning, the deposited metal bath from the cleaned plane of the upper mold merges into the mold for the ingot (lower mold). The metal is drained due to the fact that only the part of the plate that corresponds to the depth of the melted and cleaned melt pool is melted with a beam or plasmatron. The purified metal melt is poured into the ingot mold (lower mold) due to the fact that as a result of penetration a removable plate at an appropriate height of the side wall of the mold for the charge (upper mold), the groove opens at the level of the molten metal and the molten metal merges. The process is repeated until the metal is completely drained from the crystallizer for the charge (upper crystallizer). After the removable plate is melted along the entire length of the groove, the entire metal melt is poured into the ingot mold (lower mold), except for the metal that remains on the bottom of the mold for the charge (upper mold). The manufacture of a groove with a length shorter than the height of the side wall of the mold for the charge, prevents the ingot from becoming contaminated with impurities deposited on the bottom of the mold for the charge (upper mold). To clean the metal, the hydrodynamic cleaning method is used, in which heavy impurities settle on the bottom of the mold for the charge, since the groove does not reach its bottom vertically, forming a ledge that holds heavy impurities. To ensure that heavy impurities do not enter the formed ingot, the metal is melted in such a way that the metal melt is cleaned of heavy and light inclusions on the approach to the removable plate. When cleaning metal from heavy inclusions, such a melting mode is selected, when the beam first melts the melt bath of a certain depth, and then melts the plate that closes the vertical groove to a shallower depth, thereby allowing the melt to drain, leaving heavy inclusions at the bottom of the bath in the upper mold. At the end of melting, part of the metal remains at the bottom of the upper mold, where all heavy inclusions accumulate. To ensure their retention, the groove in the upper mold is not made up to its bottom, forming a natural obstacle for heavy inclusions. From light inclusions, the metal is completely cleaned due to the thermal power of the beam concentrated on the surface of the metal bath, where light inclusions float. When exposed to a beam, they evaporate and 9 000678
8 удаляются через вакуумную систему откачки. В дальнейшем, проплавляя съемную пластину, в нижний кристаллизатор сливается только чистый расплав, так как съемная пластина изготавливается из того же рафинированного металла, а полученный расплав был очищен за отведённое для этого время путем использования известных методик зонной очистки.8 are removed through a vacuum pumping system. Subsequently, by melting the removable plate, only pure melt is poured into the lower mold, since the removable plate is made of the same refined metal, and the obtained melt was cleaned in the allotted time for this by using known methods of zone cleaning.
Кристаллизатор для шихты (верхний кристаллизатор) смещен относительно кристаллизатора для слитка (нижний кристаллизатор) таким образом, что место слива находится по его центру или около края кристаллизатора для слитка (нижнего кристаллизатора). Оба кристаллизатора крепятся на поддоне плавильной камеры. Съём поддона с кристаллизаторами может быть обеспечен за счёт стационарных гидро- и пневматических устройств или за счёт независимых механизмов, например за счёт подъезжающей электрокары. Местом герметизации плавильной камеры служит, в основном, ее соединение с поддоном, что позволяет обеспечить хороший доступ к загрузке-выгрузке и снизить риски натекания в плавильную камеру. Выгрузка кристаллизаторов осуществляется с противоположной стороны от вакуумного патрубка, соединённого с вакуумной системой.The mold for the charge (upper mold) is displaced relative to the mold for the ingot (lower mold) so that the drain is located in its center or near the edge of the mold for the ingot (lower mold). Both molds are mounted on a pallet of the melting chamber. The removal of the pan with molds can be provided by stationary hydraulic and pneumatic devices or by independent mechanisms, for example, by driving up an electric car. The place for sealing the melting chamber is mainly its connection to the pallet, which allows for good access to loading and unloading and to reduce the risk of leakage into the melting chamber. Unloading of crystallizers is carried out on the opposite side of the vacuum nozzle connected to the vacuum system.
Для увеличения производительности процесса на каждой стадии плавления, сканирования, проплавления пластины и подогрева одновременно могут работать несколько электронно-лучевых пушек или плазмотронов. Для снижения стоимости плавления может быть использована одна электронно-лучевая пушка или один плазматрон. При использовании одной действующей пушки, используют возможности отклонения луча от центральной оси. При этом, поочерёдно наплавляют металл в верхнем кристаллизаторе, затем проплавляют съемную пластину, открывая паз для слива металла, а также подогревают металл в нижнем кристаллизаторе. При одновременном использовании нескольких пушек, переплавляемый объём металла и скорость плавления может быть существенно увеличена. Загрузка шихты в кристаллизатор для шихты (верхний кристаллизатор) может осуществляться как с подпрессовкой, так и без подпрессовки. Подпрессовка шихты перед её загрузкой позволяет снизить время её плавления, увеличить объём выплавки металла, а так же снизить потери на испарение легирующих элементов.To increase the productivity of the process at each stage of melting, scanning, penetration of the plate and heating, several electron-beam guns or plasma torches can simultaneously work. To reduce the cost of melting, one electron beam gun or one plasmatron can be used. When using one active gun, use the possibility of deviation of the beam from the central axis. In this case, alternately deposit the metal in the upper mold, then melt the removable plate, opening the groove for draining the metal, and also heat the metal in the lower mold. With the simultaneous use of several guns, the remelted volume of the metal and the melting rate can be significantly increased. The charge is loaded into the crystallizer for the charge (upper crystallizer) can be carried out both with prepress and without prepress. Prepressing the charge before loading allows to reduce its melting time, increase the volume of metal smelting, as well as reduce losses on the evaporation of alloying elements.
Наблюдение за процессом плавления обеспечивается с помощью датчиков и кинокамер, которые устанавливаются в корпусе плавильной камеры.Monitoring of the melting process is ensured by sensors and movie cameras that are installed in the body of the melting chamber.
ЛУЧШИЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ Конкретные варианты заявляемого способа и устройства описываются ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.BEST MODES FOR CARRYING OUT THE INVENTION Specific embodiments of the inventive method and device are described below with reference to the accompanying drawings.
Заявляемый способ осуществляется с помощью установки, сечение A- A и вид сверху которой изображены на фиг.1.The inventive method is carried out using the installation, the cross section A-A and a top view of which is shown in figure 1.
Устройство содержит электронно-лучевые пушки 1, корпус каждой из которых может быть расположен под разными углами по отношению к оси корпуса плавильной камеры 2, закрывающейся снизу поддоном 3, на котором установлен охлаждаемый кристаллизатор для шихты (верхний кристаллизатор) 4 конусообразной формы и кристаллизатор для слитка (нижний кристаллизатор) 5. Кристаллизаторы 4 и 5 выполнены из меди. Плавильная камера 2 с поддоном 3 крепятся с помощью болтовых соединений, через уплотнительную вакуумную резину. В верхний кристаллизатор 4 загружают непрессованную или прессованную в брикет шихту 6. После установки на поддоне 3 кристаллизаторов 4 и 5, в плавильной камере 2 через патрубок 7 создают требуемый вакуум. По достижении требуемой глубины вакуума, производится плавление шихты б за счёт нагрева электронным лучом 8 с образованием ванны металла 9. Плавление шихты 6 ведут по всей площади кристаллизатора 4 для шихты, не достигая некоторого расстояния до его периметра, т.е. за исключением площади, находящейся около стенок кристаллизатора 4 для шихты. Луч 8, 678The device contains electron beam guns 1, the housing of each of which can be located at different angles with respect to the axis of the housing of the melting chamber 2, which is closed from below by a pallet 3, on which a cooled mold for the charge (upper mold) 4 is conical in shape and a mold for the ingot (lower mold) 5. Crystallizers 4 and 5 are made of copper. The melting chamber 2 with the pallet 3 are mounted using bolted connections, through the sealing vacuum rubber. In the upper mold 4, the mixture 6 is pressed or pressed into the briquette 6. After the crystallizers 4 and 5 are mounted on the pallet 3, the required vacuum is created in the melting chamber 2 through the pipe 7. Upon reaching the required vacuum depth, the charge is melted by heating with an electron beam 8 to form a metal bath 9. The charge 6 is melted over the entire area of the mold 4 for the charge, not reaching a certain distance to its perimeter, i.e. with the exception of the area located near the walls of the mold 4 for the charge. Ray 8 678
10 исходящий от одной или нескольких пушек 1, перемещают по поверхности металла, пока контур ванны металла 9 не достигнет стенок кристаллизатора 4 для шихты, т.е. плавку шихты б ведут таким образом, чтобы, луч 8 на стадии формирования ванны металла 9 не проплавлял стенок самого кристаллизатора 4 для шихты. Шихта 6, расплавленная по всей верхней плоскости кристаллизатора 4, образует ванну металла 9, которая рафинируется под воздействием луча 8 в течение определённого времени, т.е. расплав ванны металла 9 очищается от лёгких, тяжёлых и газовых включений. По достижении ванны металла 9 определённой глубины h, расплав сливается в кристаллизатор 5 для слитка за счёт проплавления лучом 8 пластины 10, выполненной из того же металла, что и шихта 6, но только предварительно рафинированного. Пластина 10 устанавливается в кристаллизатор 4 для шихты перед загрузкой шихты б, таким образом, чтобы перекрыть вертикальный паз 11, выполненный в боковой стенке кристаллизаторе 4 для шихты. Паз 11 не достигает днища кристаллизатора 4 для шихты, т.е. заканчивается на определённой высоте d от днища кристаллизатора 4. Глубина проплавления пластины 10 и открытия паза 11 должна быть меньше глубины ванны расплава h, примерно на 20÷30%. Контроль за процессом осуществляют с помощью датчиков 12, совмещённых с камерами слежения, установленных в корпусе плавильной камеры 2. Ванна металла 9, сливаясь в кристаллизатор 5, образует слиток 13. Чтобы структура слитка 13 была без полостей и качественно проплавлена, сливаемый металл может подогреваться электронным лучом 8. Если в дальнейшем слиток 13 направляется на повторный переплав (например, дуговой), то данного подогрева не требуется. Электронные пушки 1 должны быть установлены таким образом в плавильной камере 2, чтобы они с наибольшей эффективностью могли перекрывать поверхность в кристаллизаторе 4, проплавлять пластину 10 и подогревать, если требуется, расплав металла в кристаллизаторе 5. 67810 emanating from one or more guns 1, is moved along the metal surface until the contour of the metal bath 9 reaches the walls of the mold 4 for the charge, i.e. the melting of the charge b is carried out in such a way that the beam 8 at the stage of forming the metal bath 9 does not melt the walls of the mold 4 for the charge. The mixture 6, molten over the entire upper plane of the mold 4, forms a metal bath 9, which is refined under the influence of beam 8 for a certain time, i.e. the molten metal bath 9 is cleaned of light, heavy and gas inclusions. Upon reaching the metal bath 9 of a certain depth h, the melt is poured into the mold 5 for ingot due to penetration by the beam 8 of a plate 10 made of the same metal as the charge 6, but only previously refined. The plate 10 is installed in the mold 4 for the charge before loading the charge b, so as to overlap the vertical groove 11 made in the side wall of the mold 4 for the charge. The groove 11 does not reach the bottom of the mold 4 for the charge, i.e. ends at a certain height d from the bottom of the mold 4. The depth of penetration of the plate 10 and the opening of the groove 11 should be less than the depth of the melt bath h, about 20 ÷ 30%. The process is monitored using sensors 12, combined with security cameras installed in the body of the melting chamber 2. The metal bath 9, merging into the crystallizer 5, forms an ingot 13. So that the structure of the ingot 13 is cavity-free and qualitatively melted, the metal to be merged can be heated electronically beam 8. If in the future the ingot 13 is sent for re-remelting (for example, arc), then this heating is not required. The electron guns 1 should be installed in such a way in the melting chamber 2 so that they can most effectively overlap the surface in the mold 4, melt the plate 10 and heat, if necessary, the molten metal in the mold 5. 678
11eleven
На фиг.2 изображена заявляемая установка сечение B-B и вид сверху, аналогичная установке согласно фиг. 1, отличающаяся тем, что для нагрева использованы плазмотроны 1, а кристаллизатор 4 выполнен V-образным, что позволяет вмещать в три-пять раз больше металла, по сравнению с круглым или конусообразным кристаллизатором и позволяет заполнять собой почти весь периметр плавильной камеры 2, за исключением небольшого сектора, через который происходит слив ванны металла 9 в нижний кристаллизатор 5. На фиг.2 изображён сектор с углом 90°, через который идёт слив металла, но этот сектор может занимать и меньший угол. Данная конструкция кристаллизатора позволяет производить очистку металла не только от тяжёлых и лёгких включений, но и производить очистку за счёт зонной плавки от присутствующих в сплаве металлических и неметаллических включений. Так, например, в одной половине кристаллизатора 4 луч 8, проплавляя узкую полосу 14, прогоняет её от одной стенки кристаллизатора 4 к другой от стороны А к С и от стороны В к Д. Полоса расплава всегда проходит в одну сторону, по типу светлой полосы в сканере, достигая стороны С и Д, луч 8 снова начинает плавить металл от стороны В и А. Проплавив металл таким образом один или несколько раз, в зависимости от требований к очистке металла, ванна металла 9 проплавляется на глубину h, затем проплавляется пластина 10 и расплав ванны металла 9 сливается в кристаллизатор 5 для слитка. Далее процесс очистки повторяется до полной переплавки шихты б, за исключением только той её массы, в которой остаются включения и которая образует гарнисаж на дне кристаллизатора 4. Установка, изображённая на фиг.2, очень компактна, но в то же время способна выплавлять очень большое количество металла.Figure 2 shows the inventive installation section B-B and a top view similar to the installation according to Fig. 1, characterized in that plasmatrons 1 are used for heating, and the crystallizer 4 is made V-shaped, which allows three to five times more metal to be accommodated in comparison with a round or cone-shaped crystallizer and allows filling almost the entire perimeter of the melting chamber 2 with the exception of a small sector through which the metal bath 9 is drained into the lower mold 5. Figure 2 shows a sector with an angle of 90 ° through which the metal is drained, but this sector can also occupy a smaller angle. This design of the mold allows the metal to be cleaned not only of heavy and light inclusions, but also to clean metal and non-metallic inclusions present in the alloy due to zone melting. So, for example, in one half of the mold 4, beam 8, fusing a narrow strip 14, drives it from one wall of the mold 4 to the other from side A to C and from side B to D. The melt strip always passes in one direction, like a light strip in the scanner, reaching sides C and D, beam 8 again begins to melt the metal from sides B and A. By melting the metal this way one or more times, depending on the requirements for cleaning the metal, the metal bath 9 is melted to a depth h, then the plate 10 is melted and the molten metal bath 9 merges into crist alligator 5 for the ingot. Next, the cleaning process is repeated until the charge b is completely re-melted, with the exception of only its mass, in which there are inclusions and which forms a skull on the bottom of the mold 4. The installation depicted in Fig. 2 is very compact, but at the same time it is capable of smelting very large amount of metal.
Технический результат, достигаемый заявляемым устройством (фиг. 1), иллюстрируется следующим сопоставительным анализом с электроннолучевой печью (известная ЭЛП) эксплуатируемой ОАО "Композит", (г.Королёв, Московская область) - четыре электронно-лучевых пушки по 250 678The technical result achieved by the claimed device (Fig. 1) is illustrated by the following comparative analysis with an electron beam furnace (known ELP) operated by Composite OJSC (Korolev, Moscow Region) - four electron beam guns of 250 each 678
12 кВт , слиток 0200, длиной 1,5м, общей массой 200кг (при загрузке шихты титана 220кг). Объём печи 10м3, объём трубопроводов вакуумной системы 12м3, время откачки воздуха 1,5 часа, время плавки 1 час, время охлаждения 1,5 часа, т.е. полный цикл работы печи - 4 часа. Дополнительное время занимает выгрузка-загрузка, которая составляет 1,5 часа. Стоимость печи около 1 млн. € (36 миллионов рублей), которая складывается из стоимости основных узлов, перечисленных в Таблице 1.12 kW, 0200 ingot, 1.5 m long, 200 kg total weight (when loading titanium charge 220 kg). The volume of the furnace is 10 m 3 , the volume of the pipelines of the vacuum system is 12 m 3 , the pumping time is 1.5 hours, the melting time is 1 hour, the cooling time is 1.5 hours, i.e. full cycle of the furnace - 4 hours. Unloading-loading, which is 1.5 hours, takes extra time. The cost of the furnace is about 1 million € (36 million rubles), which consists of the cost of the main components listed in Table 1.
Сопоставительный анализ проведен в отношении заявляемого устройства- Новая ЭЛП (таблица 1), включающая четыре электронно- лучевых пушки, каждая мощностью по 250кВт, кристаллизатор 4 для шихты диаметром 800мм и глубиной 600мм, загрузка шихты титана при плотной упаковке- 1000 кг. Вследствие того, что все четыре пушки могут быть направлены на выплавку ванны металла, это позволит значительно увеличить скорость плавления и позволит сократить количество энергии за счёт снижения тепловых потерь.A comparative analysis was carried out in relation to the claimed device — New ELP (table 1), which includes four electron beam guns, each with a power of 250 kW, a mold 4 for a charge with a diameter of 800 mm and a depth of 600 mm, a charge of a titanium charge with a tight package of 1000 kg. Due to the fact that all four guns can be aimed at smelting a metal bath, this will significantly increase the melting rate and will reduce the amount of energy due to lower heat losses.
Как видно из таблицы 1, при сравнении известной ЭЛП и новой ЭЛП, можно отметить, что новая ЭЛП с тем же количеством пушек 1 за одно и то же время позволяет выплавить 1000 кг титана против 210 кг (известная ЭЛП), т.е. объём выплавляемого металла значительно увеличивается. При этом габариты новой ЭЛП Зχ Зх 4м, тогда как габариты известной ЭЛП - 15x 20χ 12м.As can be seen from table 1, when comparing the known ELP and the new ELP, it can be noted that the new ELP with the same number of guns 1 at the same time allows melt 1000 kg of titanium versus 210 kg (known ELP), i.e. the volume of smelted metal increases significantly. At the same time, the dimensions of the new EBL are Z χ Zx 4m, while the dimensions of the known EBL are 15x 20 χ 12m.
Кроме того, в связи с тем, что в новой ЭЛП все электронно-лучевые пушки могут быть направлены на выплавку ванны металла 9 в кристаллизаторе 4, достигаются следующие преимущества: - кристаллизатор 4, имея глубину 600мм и при выплавке жидкой ванны металла 9 глубиной не более 50мм, не теряет своё тепло на обогрев днища кристаллизатора 4;In addition, due to the fact that in a new EBP all electron beam guns can be directed to smelting a metal bath 9 in a mold 4, the following advantages are achieved: - mold 4, having a depth of 600 mm and when smelting a liquid metal bath 9 with a depth of not more 50mm, does not lose its heat on heating the bottom of the mold 4;
-шихта 6, имея упакованную (но не сплавленную структуру), обладает низкой теплопроводностью, поэтому практически вся энергия используется на полезный расплав ванны металла 9; 2009/000678charge 6, having a packaged (but not fused structure), has a low thermal conductivity, therefore, almost all the energy is used for useful molten metal bath 9; 2009/000678
1313
-после слива очередной порции расплава ванны металла 9, лучи 8 начинают плавить уже прогретый до точки плавления следующий слой металла, находящийся в кристаллизаторе 4;-after draining the next portion of the molten metal bath 9, the rays 8 begin to melt the next layer of metal already heated to the melting point, located in the mold 4;
-часть энергии луча 8 только иногда расходуется на проплав пластины 10 и при необходимости на подогрев металла в кристаллизаторе 5.- part of the energy of the beam 8 is only sometimes used to melt the plate 10 and, if necessary, to heat the metal in the mold 5.
Как было сказано выше, поскольку лучевые печи имеют низкую способность перемешивания расплава, не следует тратить значительное количество энергии на прогрев и сплавление слитка, т.к. экономически выгодно полученный слиток направить на переплавку вакуумно-дуговым или индукционным переплавом, где перемешивающая способность расплава значительно выше, тогда как рафинирующая способность низкая.As mentioned above, since beam furnaces have a low melt mixing capacity, a significant amount of energy should not be spent on heating and fusion of the ingot, since it is economically feasible to direct the ingot sent for remelting by vacuum-arc or induction remelting, where the mixing ability of the melt is much higher, while the refining ability is low.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬINDUSTRIAL APPLICABILITY
Заявляемый способ позволяет получать слитки круглой, квадратной или прямоугольной форм, вести процесс одной или несколькими пушками (или плазмотронами), осуществлять процесс плавления без применения засыпных подающих и вытяжных устройств для испаряющегося металла. Кристаллизатор для шихты (верхний кристаллизатор) совмещает функции бункера и промежуточной ёмкости. За счёт использования возможности отклонения луча от центральной оси, конструкция устройства значительно упрощается, не требуя использования механизмов для подачи шихты, перемещения кристаллизатора и вытяжки слитка, что значительно повышает надёжность и существенно снижает стоимость. Заявляемая конструкция имеет минимальный объём камеры плавления, так как внутренняя конфигурация полости этой камеры занимает пространство только для размещения кристаллизаторов и перемещения луча. Данная особенность позволяет удешевить конструкцию установки, снизить стоимость вакуумной системы и уменьшить время на откачку воздуха из камеры плавления. Таблица 1The inventive method allows to obtain ingots of round, square or rectangular shapes, to conduct the process with one or more guns (or plasmatrons), to carry out the melting process without the use of filling feed and exhaust devices for evaporating metal. A mold for the charge (upper mold) combines the functions of a hopper and an intermediate tank. Due to the use of the possibility of deviation of the beam from the central axis, the design of the device is greatly simplified, without requiring the use of mechanisms for feeding the charge, moving the mold and drawing the ingot, which significantly increases reliability and significantly reduces the cost. The inventive design has a minimum volume of the melting chamber, since the internal configuration of the cavity of this chamber occupies a space only for accommodating molds and moving the beam. This feature allows you to reduce the cost of installation design, reduce the cost of the vacuum system and reduce the time for pumping air from the melting chamber. Table 1
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0001

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Способ электронно-лучевой или плазменной плавки из кристаллизатора в кристаллизатор в вакуумной плавильной камере путем плавления шихты в кристаллизаторе электронно- лучевыми пушками или 5 плазмотронами, с последующим формированием слитка металла в охлаждаемом кристаллизаторе и удалением отделившихся примесей, отличающийся тем, что шихту загружают в кристаллизатор для шихты, расположенный внутри вакуумной плавильной камеры со съемным поддоном, после вакуумирования плавильной камеры шихту плавят,1. The method of electron beam or plasma melting from a crystallizer to a crystallizer in a vacuum melting chamber by melting the charge in the crystallizer by electron beam guns or 5 plasmatrons, followed by the formation of a metal ingot in the cooled mold and removing the separated impurities, characterized in that the charge is loaded into a mold for the charge, located inside the vacuum melting chamber with a removable pan, after evacuation of the melting chamber, the charge is melted,
Ю последовательно нагревая верхний слой шихты в кристаллизаторе для шихты, образовавшуюся порцию расплава металла сливают в кристаллизатор для слитка, который выполнен опирающимся своими краями на съемном поддоне и расположен ниже и со смещением относительно катализатора для шихты, при этом расплав металла сливаютSequentially heating the upper layer of the charge in the mold for the charge, the formed portion of the metal melt is poured into the mold for the ingot, which is made leaning on its edges on a removable tray and is located below and with an offset relative to the catalyst for the charge, while the metal melt is drained
15 через паз, выполненный на боковой стенке кристаллизатора для шихты, путем проплавления съемной пластины, экранирующей паз и выполненной из рафинированного металла, соответствующего металлу шихты, при этом проплавление съемной пластины осуществляют последовательно сверху вниз по мере образования расплава металла в кристаллизаторе для шихты, а 0 примеси, скопившиеся на днище кристаллизатора для шихты, удаляют.15 through a groove made on the side wall of the batch mold by melting a removable plate, a shielding groove and made of refined metal corresponding to the metal of the batch, the melting of the removable plate is carried out sequentially from top to bottom as the formation of the metal melt in the mold for the mixture, and 0 impurities accumulated on the bottom of the mold for the charge are removed.
2. Способ по п. l., отличающийся тем, что плавление шихты ведут одновременно с зонной очисткой, которую ведут путем периодического сканирования поверхности металла в направлении от проплавляемой съемной пластины к противоположной стороне кристаллизатора в течение 5 заданного времени.2. The method according to p. L., Characterized in that the mixture is melted simultaneously with zone cleaning, which is carried out by periodically scanning the metal surface in the direction from the melted removable plate to the opposite side of the mold for 5 predetermined times.
3. Устройство для электронно-лучевой или плазменной плавки металла из кристаллизатора в кристаллизатор, содержащее вакуумную плавильную камеру, снабженную электронно-лучевыми или плазменными пушками, выполненными с возможностью перемещения их лучей и 0 размещенных в верхней части плавильной камеры, два кристаллизатора, один из которых предназначен для шихты, а второй для формирования слитка и выполнен охлаждаемым, кристаллизатор для шихты расположен3. Device for electron-beam or plasma melting of metal from a crystallizer to a crystallizer, containing a vacuum melting chamber equipped with electron-beam or plasma guns configured to move their rays and 0 located in the upper part of the melting chamber, two molds, one of which designed for the charge, and the second for the formation of the ingot and is made cooled, the mold for the charge is located
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) внутри плавильной камеры над кристаллизатором для слитка и смещен относительно последнего, обеспечивая возможность перелива металла из кристаллизатора в кристаллизатор, отличающееся тем, что плавильная камера выполнена со съемным поддоном, кристаллизаторы установлены в плавильной камере и закреплены на съемном поддоне, при этом кристаллизатор для слитка закреплен краями за поддон плавильной камеры таким образом, что своей верхней частью кристаллизатор для слитка сообщен с плавильной камерой, а его нижняя часть находится под плавильной камерой, кристаллизатор для шихты установлен внутри плавильной камеры и снабжен пазом, который выполнен в боковой части кристаллизатора для шихты со стороны размещения кристаллизатора для слитка, длина паза меньше высоты боковой стенки кристаллизатора для шихты, паз по всей длине закрыт съемной пластиной, выполненной из рафинированного металла, соответствующего металлу шихты.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) inside the melting chamber above the mold for the ingot and offset relative to the latter, providing the possibility of overflow of metal from the mold into the mold, characterized in that the melting chamber is made with a removable tray, the molds are installed in the melting chamber and mounted on a removable tray, while the mold for the ingot is fixed by the edges behind the tray of the melting chamber in such a way that with its upper part the mold for the ingot is in communication with the melting chamber, and its lower part is under the melting By the second chamber, the mold for the charge is installed inside the melting chamber and provided with a groove that is made in the side of the mold for the charge on the side of the mold for the ingot, the length of the groove is less than the height of the side wall of the mold for the mixture, the groove is covered over the entire length by a removable plate made of refined metal corresponding to the metal of the mixture.
4. Устройство по п.З., отличающееся тем, что кристаллизатор для шихты выполнен практически полностью перекрывающим поперечную плоскость плавильной камеры, за исключением сектора, отведённого под слив расплава металла.4. The device according to p.Z., characterized in that the mold for the charge is made almost completely overlapping the transverse plane of the melting chamber, with the exception of the sector allocated for the discharge of molten metal.
5. Устройство по п.З., отличающееся тем, что кристаллизатор для шихты выполнен конусообразной формы.5. The device according to p.Z., characterized in that the mold for the charge is made conical in shape.
6. Устройство по п.З., отличающееся тем, что кристаллизатор для шихты выполнен V-образной формы.6. The device according to p.Z., characterized in that the mold for the charge is made in a V-shape.
7. Устройство по п.З., отличающееся тем, что кристаллизаторы выполнены из меди.7. The device according to p.Z., characterized in that the molds are made of copper.
8. Устройство по п.З., отличающееся тем, что кристаллизатор для шихты смещен относительно кристаллизатора для слитка таким образом, что место слива находится по центру кристаллизатора для слитка.8. The device according to p.Z., characterized in that the mold for the charge is offset relative to the mold for the ingot so that the drain is located in the center of the mold for the ingot.
9. Устройство по п.З., отличающееся тем, что кристаллизатор для шихты смещен относительно кристаллизатора для слитка таким образом, что место слива находится около края кристаллизатора для слитка.9. The device according to p.Z., characterized in that the mold for the charge is offset relative to the mold for the ingot so that the drain is located near the edge of the mold for the ingot.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
PCT/RU2009/000678 2008-12-10 2009-12-09 Method and apparatus for electron-beam or plasma-jet melting of metal from a crystallizer into a crystallizer WO2010068140A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008148779/02A RU2489506C2 (en) 2008-12-10 2008-12-10 Method and device of electron-beam or plasma smelting of metal from crystalliser to crystalliser
RU2008148779 2008-12-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010068140A1 true WO2010068140A1 (en) 2010-06-17

Family

ID=42242939

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2009/000678 WO2010068140A1 (en) 2008-12-10 2009-12-09 Method and apparatus for electron-beam or plasma-jet melting of metal from a crystallizer into a crystallizer

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2489506C2 (en)
WO (1) WO2010068140A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107739844A (en) * 2017-10-18 2018-02-27 云南钛业股份有限公司 The setting method of the rifle electron beam scanning style of ingot casting end face 2 of hollow ingot
CN107746971A (en) * 2017-10-18 2018-03-02 云南钛业股份有限公司 It is a kind of with electron-beam cold bed furnace cast titanium or the method for titanium alloy hollow ingot
US20220267878A1 (en) * 2019-08-01 2022-08-25 Dalian University Of Technology Method for Preparing High-purity Nickel-based Superalloy by Electron Beam Induced Refining and Casting Technology

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2598020C2 (en) * 2012-02-08 2016-09-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "Рутений" Method and device for production of laminated ingots
RU2630138C2 (en) * 2012-12-27 2017-09-05 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "Рутений" Melting method of reactive metals and alloys on its basis
RU2660784C2 (en) * 2014-01-09 2018-07-09 Анатолий Евгеньевич Волков Device for vacuum melting of refractory and reactive metals
FR3082853B1 (en) 2018-06-26 2020-09-04 Safran Aircraft Engines PROCESS FOR MANUFACTURING INGOTS IN METAL COMPOUND BASED ON TITANIUM
RU2753847C1 (en) * 2020-10-12 2021-08-24 Публичное акционерное общество "Электромеханика" Method and device for production of metal ingot

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU349320A1 (en) * 1970-12-07 1977-10-05 Институт Электросварки Им. Е.О. Патона Ан Украинской Сср Electron-beam furnace
JPS6277429A (en) * 1985-09-30 1987-04-09 Kobe Steel Ltd Electron beam melting method
RU2087563C1 (en) * 1995-09-13 1997-08-20 Владлен Александрович Чернов Method of electron beam remelting of lump metallic material and device for its embodiment
UA20513U (en) * 2006-09-06 2007-01-15 Mykola Petrovych Kondratii Electron-beam unit
JP2007039807A (en) * 2005-07-07 2007-02-15 Toho Titanium Co Ltd Apparatus and method for electron beam melting of metal

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3537798B2 (en) * 2001-10-26 2004-06-14 東邦チタニウム株式会社 Electron beam melting method for metallic materials
RU2454471C2 (en) * 2007-03-12 2012-06-27 Анатолий Евгеньевич Волков Method of electron-beam or plasma zonal melting to square crystalliser

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU349320A1 (en) * 1970-12-07 1977-10-05 Институт Электросварки Им. Е.О. Патона Ан Украинской Сср Electron-beam furnace
JPS6277429A (en) * 1985-09-30 1987-04-09 Kobe Steel Ltd Electron beam melting method
RU2087563C1 (en) * 1995-09-13 1997-08-20 Владлен Александрович Чернов Method of electron beam remelting of lump metallic material and device for its embodiment
JP2007039807A (en) * 2005-07-07 2007-02-15 Toho Titanium Co Ltd Apparatus and method for electron beam melting of metal
UA20513U (en) * 2006-09-06 2007-01-15 Mykola Petrovych Kondratii Electron-beam unit

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107739844A (en) * 2017-10-18 2018-02-27 云南钛业股份有限公司 The setting method of the rifle electron beam scanning style of ingot casting end face 2 of hollow ingot
CN107746971A (en) * 2017-10-18 2018-03-02 云南钛业股份有限公司 It is a kind of with electron-beam cold bed furnace cast titanium or the method for titanium alloy hollow ingot
CN107739844B (en) * 2017-10-18 2019-05-03 云南钛业股份有限公司 The setting method of the 2 rifle electronics beam scanning style of ingot casting end face of hollow ingot
US20220267878A1 (en) * 2019-08-01 2022-08-25 Dalian University Of Technology Method for Preparing High-purity Nickel-based Superalloy by Electron Beam Induced Refining and Casting Technology

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008148779A (en) 2010-06-20
RU2489506C2 (en) 2013-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2010068140A1 (en) Method and apparatus for electron-beam or plasma-jet melting of metal from a crystallizer into a crystallizer
RU2751161C2 (en) Method for the production of metal powders by gas spraying and a plant for the production of metal powders in accordance with this method
EP0896197B1 (en) Straight hearth furnace for titanium refining
RU2599929C2 (en) System and methods for casting metallic materials
CA2372385A1 (en) Process and apparatus for continuous vacuum purification of molten metal
CN102912156B (en) System and method for recycling magnesium and magnesium alloy waste
RU2355791C2 (en) Method of manufacturing of high reactivity metals and alloys ingots and vacuum-arc-refining furnace for manufacturing of reactivity metals and alloys ingots
CN108504879A (en) A kind of the electron-beam smelting method and its device of hypoxemia high purity titanium ingot
JP2008190024A (en) Method for producing titanium sponge
RU2089633C1 (en) Device for melting and casting of metals and alloys
CN1043245C (en) Tilting Metallurgical unit comprising several vessels
RU2360014C2 (en) Vacuum arc-refining skull furnace
JP4655292B2 (en) Scrap silicon refining equipment using electron beam
US20050173847A1 (en) Method and apparatus for perimeter cleaning in cold hearth refining
RU2598020C2 (en) Method and device for production of laminated ingots
RU2660784C2 (en) Device for vacuum melting of refractory and reactive metals
RU2612867C2 (en) Method of melting highly reactive metals and alloys based thereon and device therefor
RU2753847C1 (en) Method and device for production of metal ingot
RU2209842C2 (en) Metal melting and pouring method
JPS59190335A (en) Melting furnace for magnesium alloy
RU2630138C2 (en) Melting method of reactive metals and alloys on its basis
RU2209841C2 (en) Metal pouring method
RU74125U1 (en) INSTALLATION FOR ELECTRON BEAM METAL Smelting
RU209252U1 (en) DOUBLE FUNNEL FOR POURING METALS
KR101483695B1 (en) Apparatus for Refining Silicon

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09832189

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09832189

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1