Спосіб рафінування металів і сплавів при електронно-променевій гарнісажній плавці і установка для його здійснення

Реферат: Група винаходів належить до електрометалургії, зокрема до рафінування металів і сплавів при електронно-променевому нагріві у вакуумі. Електронно-променеве розігрівання і плавлення металу здійснюють в одному тиглі в умовах електромагнітного перемішування розплаву одночасно при низькому і середньому вакуумі. Установка для гарнісажної плавки має тигель і перегородку, яка розділяє камеру по поверхні розплаву на дві зони з різним вакуумом. Передбачено електромагнітне перемішування розплаву. В згаданих зонах встановлені низьковакуумна і середньовакуумна гармати високовольтного тліючого розряду. Винаходи сприяють зменшенню часу рафінування і витрат електроенергії. UA 105577 C2 (12) UA 105577 C2 UA 105577 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Взаємозв'язана група винаходів належить до галузі спеціальної електрометалургії, більш конкретно - до розробки способів рафінування металів і сплавів з використанням електроннопроменевого нагріву і створення устаткування для їх реалізації. Відомий спосіб рафінування кремнію від таких домішкових елементів, як фосфор і сурма, а також бор і вуглець з використанням електронного променя і проведенням процесу в одній ємності, розміщеній у вакуумній камері. Спочатку кремній обробляють у низькому вакуумі парами Н2О для видалення домішок, які утворюють леткі з'єднання, наприклад бор, а потім в цій же камері обробляють електронним променем у високому вакуумі для видалення домішок з високим тиском пари, наприклад, фосфор [1]. Недоліком способу є те, що видалення домішок, що утворюють леткі з'єднання, і домішок з високим тиском пари проводиться послідовно, оскільки в камері треба створювати спочатку низький, а потім високий вакуум. Це обумовлює збільшення тривалості плавки, що призводить до зниження продуктивності процесу і збільшення витрат електроенергії на його реалізацію. Відомий також спосіб очищення кремнію від шкідливих домішок, наприклад бору і фосфору, з використанням висококонцентрованого джерела енергії, в якому як таке джерело використовується низьковакуумна газорозрядна електронна гармата, а сам спосіб здійснюють в три стадії при тиску в рафінувальній камері на першій стадії 50-100 Па, на другій - 10-50 Па, на третій 0,2-10 Па, причому на першій і другій стадіях застосовують електромагнітне перемішування розплаву [2]. Недоліком способу, як і в розглянутому вище випадку, є послідовне створення в рафінувальній камері заданного тиску для кожної стадії, що призводить до збільшення як тривалості процесу, так і пов'язаного з цим зростання витрат електроенергії. Відомий також спосіб рафінування металу, який вибраний як прототип, при якому рафінування здійснюється за рахунок одночасної обробки розплаву в плавильній ємності рафінувальним шлаком, який наводиться в одній зоні на частині поверхні рідкометалевої ванни, і вакуумом в іншій зоні при електронно-променевому обігріві цієї частини поверхні рідкометалевої ванни, і при цьому розплаву надають циркуляційне перемішування з однієї зони в іншу [3]. Перевагою способу є одночасне рафінування від різних домішок, яке в інших відомих способах проводиться шляхом роздільної обробки. Недоліком способу є використовування різних рафінувальних середовищ, в даному випадку шлаку і вакууму, що ускладнює проведення технологічного процесу. Відомі установки для електронно-променевої гарнісажної плавки металів і сплавів, які складаються з плавильних камер з системами забезпечення вакууму, електронно-променевих гармат і тиглів з системами електромагнітного перемішування, пристроїв подачі шихти в тигель і камер ливарних форм [4]. Недоліком відомих установок є неможливість проведення плавки з одночасною обробкою розплаву в тиглях різними рафінувальними середовищами. Відома електронно-променева ливарна установка, вибрана як прототип, в якій обігрів шихти і розплаву в гарнісажному тиглі з електромагнітним перемішуванням і донним зливом розплаву здійснюється низьковакуумною і середньовакуумною гарматами високовольтного тліючого розряду (ВТР) шляхом почергової їх установки на позиції нагріву залежно від тиску залишкових газів в плавильній камері [5]. Недоліком установки є неможливість проведення обігріву одночасно обома гарматами. В основу першого з групи винаходів поставлена задача створення такого способу рафінування металів і сплавів при гарнісажній плавці, при якому можливо здійснення електронно-променевої плавки при одночасній обробці розплаву в одній плавильній ємності при різному залишковому тиску в плавильній камері над різними зонами рідкометалевої ванни. В основу другого з групи винаходів поставлена задача створення установки, в якій реалізується одночасний обігрів розплаву в плавильній ємності низьковакуумною і середньовакуумною гарматами ВТР. Перша з поставлених задач вирішується тим, що в способі рафінування металів і сплавів при електронно-променевій гарнісажній плавці з електромагнітним перемішуванням розплаву в тиглі і донним зливом, який включає завантаження шихти в плавильний тигель, створення в плавильній камері необхідного розрідження, плавлення шихти і нагрів розплаву, що утворюється, електронним променем і злив розплаву з тигля, згідно з винаходом, в плавильній камері над поверхнею розплаву в тиглі створюють дві зони з середнім і низьким вакуумом, які розділені по вакууму і обігрів поверхні розплаву в зоні з середнім вакуумом проводиться середньовакуумною гарматою високовольтного тліючого розряду, а в зоні з низьким вакуумом низьковакуумною гарматою високовольтного тліючого розряду, і в зоні з низьким вакуумом підтримують атмосферу рафінувального газу, причому впродовж всього періоду рафінування 1 UA 105577 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 забезпечується рівномірний хімічний склад розплаву в об'ємі тигля і на поверхні ванни в обох зонах за рахунок примусового перемішування розплаву. Спосіб реалізується таким чином. В тигель завантажується шихта і низьковакуумною гарматою ВТР проводиться її розплавлення. Після наведення в тиглі ванни заданої висоти плавильна камера виявляється розділеною по вакууму на дві зони, що дозволяє в одній з них проводити обігрів середньовакуумною гарматою, а в іншій - низьковакуумною, причому в зоні з низьковакуумною гарматою можна при бажанні формувати атмосферу з рафінуючого газу, наприклад пари води, у разі рафінування кремнію від бору. Обробка перемішуваного під впливом електромагнітних полів розплаву електронним променем при наявності одночасно середнього і низького вакууму створює умови, які забезпечують одночасне видалення домішкових елементів з різним тиском пари. В результаті цього процес рафінування інтенсифікується, що забезпечує скорочення тривалості процесу і зменшення витрат електроенергії. Друга поставлена задача вирішується тим, що установка для електронно-променевої гарнісажної плавки, що складається з плавильної камери з системою забезпечення вакууму, електронно-променевої гармати, гарнісажного тигля з системою електромагнітного перемішування і донним зливом розплаву, відрізняється тим, що плавильна камера розділена на дві зони перегородкою, яка над гарнісажним тиглем проходить по його осі на висоті рівня рідкометалевої ванни, і кожна із зон має самостійну систему забезпечення вакууму, а над гарнісажним тиглем в одній із зон змонтована середньовакуумна гармата високовольтного тліючого розряду, а в іншій - низьковакуумна гармата високовольтного тліючого розряду, причому зона, в якій змонтована низьковакуумна гармата, оснащена пристроєм для подачі рафінуючого газу. Суть винаходу пояснюється рисунком, на якому наведена схема установки в розрізі. В плавильній камері 1 змонтований гарнісажний тигель 2 з системою електромагнітного перемішування 3 і зливним отвором в днищі 4, який закривається кришкою 5. Камера 1 розділена перегородкою 6 на дві зони, в одній з яких над тиглем 2 встановлена середньовакуумна гармата ВТР 7, а в іншій - низьковакуумна гармата ВТР 8. В зоні, де встановлена низьковакуумна гармата ВТР 8, розміщені пристрої для завантаження шихти 9 і для подачі рафінуючого газу 10. Кожна із зон має самостійну систему забезпечення вакууму. Знизу до камери 1 примикає камера ливарних форм 11, в якій у пристрої 12 встановлені форми. Пристрій 12 витягується з камери 11 через завантажувальне вікно 13. Установка працює таким чином. Після завантаження в тигель 2 шихти за допомогою пристрою 9 в камері 1 створюють розрідження і по досягненні тиску залишкових газів ~13 Па проводять нагрів і плавлення шихти гарматою 8, а по досягненні в камері 1 тиску ~1,3 Па включають також гармату 7 і надалі плавку проводять одночасно обома гарматами при електромагнітному перемішуванні розплаву. У разі необхідності обробки розплаву рафінувальним газом в зону камери 1, в якій встановлена низьковакуумна гармата 7, за допомогою пристрою 10 подають газ. З цієї миті плавка проводиться при різному тиску в різних зонах. Бажано, щоб рівень розплаву в тиглі 2 підтримувався таким, щоб поверхня ванни торкалася перегородки 6. Винахід забезпечує скорочення часу рафінувальної обробки розплаву, що супроводжується підвищенням продуктивності процесу і технологічного устаткування. Використання способу і установки для його реалізації може бути ефективним при рафінуванні металургійного кремнію для сонячних батарей. Джерела інформації: 1. US 2007077191 (Α1), ΜΠК С01В33/037, C01B33/02. Опубл. 05.04.2007. 2. Патент України на корисну модель № 58120, МПК С01В33/037. Опубл. 25.03.2011. Бюл. № 6. 3. А.С. СССР № 426527, МКИ С21С7/10. Опубл. 17.01.1974. 4. Электронно-лучевая плавка в литейном производстве / Под ред. С.В. Ладохина. - К.: Сталь, 2007. - С. 53-89. 5. Патент України № 98904, ΜΠК С22В9/22, С21С5/56. Опубл. 12.03.2012. Бюл. № 5. 55 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 1. Спосіб рафінування металів і сплавів при електронно-променевій гарнісажній плавці з електромагнітним перемішуванням розплаву в тиглі з донним зливом, що включає завантаження шихти в плавильний тигель, створення в плавильній камері необхідного розрідження, плавлення шихти і нагрів розплаву, що утворюється, електронним променем і 2 UA 105577 C2 5 10 15 злив розплаву з тигля, який відрізняється тим, що в плавильній камері над поверхнею розплаву в тиглі створюються дві зони з середнім і низьким вакуумом, які розділені по вакууму і обігрів розплаву в зоні з середнім вакуумом проводиться середньовакуумною гарматою високовольтного тліючого розряду, а в зоні з низьким вакуумом - низьковакуумною гарматою високовольтного тліючого розряду, і в зоні з низьким вакуумом підтримується атмосфера рафінуючого газу, причому впродовж всього періоду рафінування забезпечують рівномірний хімічний склад розплаву в об'ємі тигля і на поверхні ванни в обох зонах за рахунок примусового перемішування розплаву. 2. Установка для електронно-променевої гарнісажної плавки, що складається з плавильної камери з системою забезпечення вакууму, електронно-променевої гармати, гарнісажного тигля з системою електромагнітного перемішування і донним зливом розплаву, яка відрізняється тим, що плавильна камера розділена на дві зони перегородкою, яка над тиглем проходить на висоті рівня рідкометалевої ванни, і кожна із зон має самостійну систему забезпечення вакууму, над тиглем в одній із зон змонтовано середньовакуумну гармату високовольтного тліючого розряду, а в іншій зоні, яку оснащено пристроєм для подавання рафінуючого газу, низьковакуумну гармату високовольтного тліючого розряду, причому вказана перегородка розділяє поверхню ванни надвоє таким чином, що в кожній із зон ця поверхня обігрівається електронним променем потрібної потужності від відповідної гармати. Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3