способ плавки и литья металла

Формула изобретения

Способ плавки и литья металла, включающий получение расплава металла и его двухступенчатое рафинирование в последовательно расположенных первой и второй сообщенных камерах, содержащих промежуточные емкости со сливными отверстиями, при этом первую камеру соединяют со второй камерой через сливное отверстие первой промежуточной емкости, перекрытое расплавом для поддержания автономной среды в камерах, во второй камере используют тепловую энергию независимых источников нагрева, отрафинированный расплав металла из второй промежуточной емкости подают в охлаждаемый кристаллизатор, отличающийся тем, что расплав металла получают в первой камере за счет электродугового нагрева и переплава расходуемых электродов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для литья любых металлов, включая тугоплавкие и химически активные.

Известен способ плавки металла в промежуточной емкости с отливкой слитков, при котором происходит хорошее усреднение расплава его очистка и при литье образуется бездефектная кристаллическая структура. Способ включает приготовление расплава в отдельной промежуточной емкости с последующим переливанием и кристаллизацией в изложнице или кристаллизаторе [1].

Методы плавки в промежуточной емкости с отливкой слитков обеспечивают высокую плотность слитков, однородный химический состав и достаточно однородную кристаллическую структуру.

Данный способ нашел применение для изготовления круглых и плоских слитков небольшого сечения [1].

Наиболее близким техническим решением является способ плавки и литья металла, включающий получение расплава металла и его двухступенчатое рафинирование в последовательно расположенных первой и второй сообщенных камерах, содержащих промежуточные емкости со сливными отверстиями, при этом первую камеру соединяют со второй камерой через сливное отверстие первой промежуточной емкости, перекрытое расплавом для поддержания автономной среды в камерах, во второй камере используют тепловую энергию независимых источников нагрева, отрафинированный расплав металла из второй промежуточной емкости подают в охлаждаемый кристаллизатор [2].

Задачей изобретения является повышение эффективности использования и расширения технических возможностей. Использование не рассеянного в металле тепла от первоначального переплава при проведении последующего переплава, ступенчатое разделение камер плавления, где можно применять различные источники нагрева, способствует снижению энергетических затрат.

Решение поставленной задачи осуществляется за счет того, что расплав металла получают в первой камере за счет электродугового нагрева и переплава расходуемых электродов.

Предложенный способ реализует установка, изображенная на чертеже. Установка включает камеру плавления 1, в которой, например, за счет электродугового нагрева 2 плавятся расходуемые электроды 3, а так же шихта 4, поступающая через загрузочное окно 5, получаемый первый переплав 6 поступает в промежуточную емкость 7. Далее первый переплав 6 сливается во вторую промежуточную емкость 8, где образуется второй переплав 9, за счет, например, независимых источников нагрева 10, установленных во второй камере плавления 11. После приготовления второго переплава 9 расплав сливается в охлаждаемый кристаллизатор 12, где дополнительно может подогревается независимым источником нагрева 10. После кристаллизации образуется слиток 13.

Установка, показанная на чертеже, поясняет работу предлагаемого к реализации в промышленности способа, но может иметь другую компоновку, где большее число камер плавления, различных источников нагрева, кристаллизаторов и т.п.

Представленное устройство на чертеже применительно к производству слитков из химически активных металлов (типа Ti, Mo, Zr, V, W и т.п.), позволяет использовать защитную атмосферу во всех камерах плавления. Так, например, проводя переплав электродов 3 и шихты 4 в камере плавления 1, за счет электродугового переплава имеется возможность производить переплав по типу способа VADER или в соответствии с другим способом применять один вертикальный электрод и несколько горизонтальных. Тем самым производится первый переплав, где расход электроэнергии примерно на 40% ниже, чем при плавке расходуемого электрода в кристаллизатор. Если использовать подобные методы для прямого получения слитков, то очень трудно избежать неслитин и усадочных раковин.

Применительно к представляемому способу плавки и литья использование метода электродугового переплава между несколькими слитками на первой стадии является перспективным, так как данное плавление, происходящее в одном месте камеры, и позволяет, кроме экономии электроэнергии, производить качественную откачку вакуума, кроме того возможно плавить горизонтальные электроды, прочность которых может быть несколько меньше, чем вертикальных. Совместно с плавлением электродов можно плавить подсыпаемую шихту. Для электродов не требуется такого измельчения шихты, как при плавке в глухой кристаллизатор, так как при данном методе переплава происходит достаточное перемешивание лигатуры.

На первом этапе возможно использовать для переплава электроды и шихту из губчатого материала, где газовыделение максимальное. Полученный расплав 6 в камере плавления 1 стекает по промежуточной емкости 7 во вторую камеру плавления 11. Расплав собирается во второй промежуточной емкости 8, дополнительно рафинируется при втором переплаве за счет, например, независимых источников нагрева 10, т.е. электронно-лучевых пушек, нерасходуемых электродов, лазеров, плазмотронов и т.п. При втором переплаве может достигается более высокая температура расплава, причем во второй камере плавления 11 возможно получение более глубокого вакуума, если применять электронно-лучевой нагрев, чем в первой камере плавления 1. Разница в глубине вакуума достигается из-за независимых вакуумных насосов, которые откачивают самостоятельно первую и вторую камеры плавления. Как известно, для работы электронно-лучевых пушек так же используется самостоятельная вакуумная система, позволяющая в камере электронной лучевой пушки поддерживать вакуум (0,51)10^-3Пa, когда в камере плавления поддерживается вакуум до 0,5 Па [3] . Разница в вакууме в сообщающихся объемах электронно-лучевой пушки и печи происходит за счет системы диафрагм, ограничивающих проникновение газа из рабочего пространства одной камеры в рабочее пространство другой.

Используя данный принцип в осуществлении предлагаемого способа, расплав первого переплава из первой камеры плавления, поступая во вторую камеру плавления, перекрывает сообщающее эти камеры отверстие. Поэтому, если во второй камере плавления где, например, используются электронно-лучевые пушки, поддерживается вакуум до 0,5 Па, то в первой камере в соответствии с вышесказанным и возможно поддержание более низкого вакуума, равного 5-Е-500 Па. Сообщающиеся камеры, где может поддерживаться различный вакуум, экономически выгодно использовать для первого переплава исходной шихты с максимальным газовыделением и одновременным переплавом этого же расплава во второй камере, где более глубокий вакуум. Во второй камере возможно применение таких источников нагрева как электронно-лучевые пушки, которые будут очень эффективны при использовании предварительного нагрева от первого переплава.

После достижения определенной очистки и выравнивания химического состава расплав сливается в охлаждаемый кристаллизатор и вытягивается в слиток.

Если расплав не достаточно рафинируется за две ступени переплава, то к установке добавляются последующие дополнительные ступени. В качестве нагревательных источников при дополнительном переплаве, так же могут быть использованы электродуговой переплав, плазменный, электроннолучевой, индукционный, электрошлаковый, лазерный и т.п. Кроме того из промежуточной емкости последней ступени расплав может попадать в несколько кристаллизаторов.

Для расчета экономической эффективности проведем сравнение двух способов выплавки металлов с последующим получением слитков. Одним из хорошо отработанных способов, широко применяемых на сегодня для выплавки слитков из химически активных металлов, считается двойной электродуговой переплав в глухом кристаллизаторе. Принимаем расход электроэнергии на два переплава, равным 100%, при электродуговом переплаве в глухой кристаллизатор. Проведем сравнение с предложенным способом, осуществляемым за счет установки, изображенной на чертеже. Как известно, первый переплав расходует электроэнергию, по типу способа VADER на 40% меньше, чем при электродуговом переплаве в глухой кристаллизатор. Следовательно, на получение расплава при первом переплаве расходуется 30% (в сравнении с 50% первого переплава в глухой кристаллизатор).

Зная, что электронно-лучевой переплав расходует примерно в пять раз больше электроэнергии, чем электродуговой, то в сравнении со вторым переплавом в глухой кристаллизатор потребовалось бы 250% электроэнергии. Но так как при втором переплаве используется оставшееся тепло от первого переплава более чем на 90%, следовательно, необходимо нагреть и поддерживать расплав не более, чем на10%. Следовательно, при использовании электронно-лучевых пушек для второго переплава, необходим расход электроэнергии, равный 25%. (В сравнении со вторым переплавом в глухой кристаллизатор, потребляющем 50% электроэнергии). В общей сложности при сравнении электродугового двойного переплава и предлагаемого способа, осуществляемого за счет двухступенчатого электродугового и электронно-лучевого переплава, расход составляет соответственно 100 к 55%. Т.е. используя предлагаемый способ в двухступенчатом переплаве, получаем более качественный металл и экономим 45% электроэнергии, чем при двойном переплаве в глухом кристаллизаторе. Подобная же экономия будет при использовании предлагаемого способа в двухступенчатом варианте с использованием электродугового и плазменного переплава. Поэтому данный способ является перспективным по сравнению с прототипом и его целесообразно использовать в промышленности.

Сравнение способов:

А. Получение одной тонны титана электродуговым переплавом потребляет (удельный расход электроэнергии по титану 2 кВтч/кг) - 2000 кВт.

Второй переплав этой же тонны электролучевым способом потребляет (удельный расход электроэнергии по титану 10 кВтч/кг) - 10000 кВт. Итого: 12000 кВт.

В. Переплав расходуемых слитков электродуговым способом в первой ступени установки на одну тонну титана, потребует - 1200 кВт.

Второй переплав этой же тонны электролучевым способом во второй ступени установки на одну тонну титана потребует -1000 кВт Итого: 2200 кВт.

Предлагаемая к рассмотрению установка, в сравнение со способом А, при том же потреблении электроэнергии сможет переплавлять 5,5 т высококачественного титана, вместо одной тонны титана, выплавляемого способом А.

В данном сравнении не учитывались:

- более высокая скорость плавления;

- сокращение оборудования на перезагрузку;

- снижение затрат на подготовку производства и т.д.

ЛИТЕРАТУРА

1. Андреев А.Л. и др. Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. М., Металлургия, 1994 г.

2. Авторское свидетельство 392107, С 22 В 9/22, 27.07.1973.

3. Крапухин В. В. Печи для цветных и редких металлов. М.,Металлургия, 1993.