Спосіб одержання монолітного витратного електрода з титанової губки і пристрій для його здійснення

1 Спосіб одержання монолітного витратного електрода з титанової губки, який включає подачу титанової губки у плавильний пристрій, плавління и у захисній атмосфері і подальшу розливку розплава, який відрізняється тим, що титанову губку подають у плавильний пристрій електрошлакової тчи з струмопідвідним кристалізатором і наведеною в ньому шлаковою ванною, а плавління губки ведуть на поверхні металевої ванни за рахунок тепла, що виділяється у шлакової ванні при про ГУБКИ І ходженні електричного струму з одночасною розливкою путем витягування заготовки з металевої ванни 2 Спосіб по п 1, який відрізняється тим, що як захисну атмосферу використовують безкисневі шлаки на основі солей плавикової кислоти, а дзеркало шлакової ванни і заготовку, яку витягують, захищають аргоном 3 Пристрій для одержання монолітного витратного електрода з титанової губки, який містить плавильний пристрій у вигляді розширеної струмопідвідної водоохолоджуваної секції кристалізатора, формуючий пристрій у вигляді водоохолоджуваної секції кристалізатора по діаметру потрібного витратного електрода, водоохолоджуваний невитратний електрод і джерело живлення, що з'єднано з струмопідвідною секцією і витратним електродом, що витягують, який відрізняється тим, що містить додаткове джерело живлення, що під'єднано до двохпровідної мережі живлення синфазно з основним джерелом живлення і з'єднано з невитратним електродом і витратним електродом, що формується, причому площа поперечного перерізу струмопідвідної секції кристалізатора у 5-20 разів перевищує площу перерізу формуючей секції кристалізатора О ю (О ^ со Винахід відноситься до області металургії кольорових металів, а більш конкретно до області виробництва титану І може бути використаний при виробництві титанових зливків з титанової губки Основним промисловим способом одержання титанових зливків у теперішній час є двократне вакуумнодугове переплавлення витратних електродів При цьому для першого переплавлення застосовують витратни електроди, що спресовано з титанової губки, а для другого переплавлення використовують у якості витратних електродів зливки, одержані при першому переплавленні Приготування пресованого витратного електрода з титанової губки є дорогою операцією, яка обусловлює труднощі ефективного використання шихти різної форми і розмірів Так, для пресування блоків з титанової губки масою до 200кг необхідні унікальні потужні преси зусиллям 5-10 тисяч тонн Блоки потім необхідно зварювати у витратний електрод за допомогою плазмового, аргонодугового або електроннопроменевого зварювання Півбезперервне ж пресування у прохідну матрицю з одержанням довгорозмірної заготовки пов'язано з необхідністю добавки у шихту поруч з титановою губкою алюмінія і інших компонентів (Див, наприклад, російський патент 2031174, МПК6С22С 14 /00, публ 20 03 95, бюл №8) Прагнення звільнитись від необхідності мати унікальне пресове обладнання і зменшити вартість титанових зливків привело до розробки способів плавки титанової губки і інших некомпактних матеріалів з титану з використанням незалежних дже 34625 рел нагрівання вакуумнодугове переплавлення з вакуумній камері мідний водоохолоджуваний крисневитратним електродом, індукційно-шлакове або талізатор, з якого за допомогою системи перемівакуумно-індукційне переплавлення, плазмовощення витягується зливок дугове і електронно-променеве переплавлення Вадою вказаного способу є те, що за наявніс(Див Проблеми спеціальної електрометалургії, тю у титановій губки значної КІЛЬКОСТІ хлорідів ва1995, №3, с 17) Така різноманітність способів куумна система засмічується іми, порушуючи техплавки титанової губки обумовлена тим, що з однологічний процес Крім того, СТІЙКІСТЬ ного боку титан є високореакційним металом, що невитратного електрода внаслідок його ерозії вевимагає ефективного захисту від окислення і польми низька, причому вона тим менше, чим більпадання у нього азоту і водню з повітря, а з іншого ше ЩІЛЬНІСТЬ струму на електроді боку - тим, що переплавлення газонасиченої титаЗастосовуваний у прототипі пристрій не донової губки з високою КІЛЬКІСТЮ хлорідів веде до зволяє у наявному плавильному просторі істотно засмічення вакуумних систем, особливо на випазнизити ЩІЛЬНІСТЬ струму на електроді при заданої док високого вакууму Тому вважається доцільним потужності процесу плавки шляхом збільшення застосовувати способи плавки з використанням його поверхні Між ТИМ існують пристрої, що довакууму тільки при низькій КІЛЬКОСТІ хлорідів у тизволяють у заданому плавильному просторі мати тановій губки При ВМІСТІ хлорідів у губки до 0,25% низькі ЩІЛЬНОСТІ струму на невитратному електроді рекомендується використати плазмово-дугове при досить високих значеннях потужності, що допереплавлення, а при використанні губки з більш сягається при цьому на електроді До таких привисоким вмістом хлорідів переважним стає індукстроїв відноситься, наприклад, струмопідвідний ційно-шлакове переплавлення Разом з тим, індуккристалізатор, який використовують у електроційно-шлакове переплавлення, яке дозволяє викошлакових технологіях У цьому випадку плавильристати найбільш брудну по хлорідах губку, ний простір і невитратний електрод представлязастосовується поки тільки для одержання зливків ють єдине ціле, дозволяючи різко збільшити відносно невеликих розмірів з-за низького к п д контактову поверхню електрода і знизити ЩІЛЬрозрізного кристалізатора, у якому воно здійснюНІСТЬ струму на електроді, щоб істотно ослабити ється Для одержання зливків промислових розмійого ерозію рів необхідні джерела живлення високої частоти Найбільш близький по сукупності ознак до занадмірно великої потужності являемого пристрою є пристрій по патенту США №4185682 від 29 01 1980, МПК B22D27/02, - проЗ способів плавлення некомпактної титанової тотип Цей пристрій містить плавильний пристрій у губки у найбільшій мірі розроблений спосіб вакуувигляді розширеної струмопідвідної водоохоломнодугового плавлення з невитратним охолоджуджуваної секції кристалізатора, формуючий приваним електродом Звичайно застосовуваний у стрій у вигляді водоохолоджуваної секції кристалісталеплавильних процесах невитратний графітозатора по діаметру потрібного витратного вий електрод не може бути застосований на випаелектрода, водоохолоджуваний невитратний елекдок плавки титанової губки з-за неприпустимості трод і джерело живлення, що з'єднано з струмопінавіть найменшого забруднення титану вуглецем двідною секцією і витратним електродом, що витяМіж ТИМ водоохолоджуваний металевти електрод гують У вказаному кристалізаторі, що складається піддається під час плавки електроерозм Для бороз не менше двох ізольованих одна від одной водотьби з електроерозією застосовують спеціальні охолоджуваних секцій з електропровідного матеелектромагнітні котушки, розташовані усередині ріалу, верхня секція є струмопідвідної До неї піделектродів і покликані викликати блукання дуги по водиться струм від джерела живлення і тому ця електроду, тим самим послаблюючи електроеросекція грає роль невитратного електрода Для визію В інших випадках, щоб заставити дугу блукати ключення електроерозм стінки цієї секції вона має по електроду, його встановлюють під кутом до внутрішній захисний шар з тугоплавкого електровертикалі і надають йому обертання провідного матеріалу - графітове або вольфрамоНайбільш близьким до заявляемого способу ве змінне кільце Нижня секція приблизно такого ж одержання монолітного витратного електрода з перерізу, що і верхня, виконує роль формуючого титанової губки є спосіб, який описаний у публикапристрою, з якого витягується зливок або заготовцм [Мусатов М І , Міляєва Т Н , Філющенко Н І ка, яку наплавлюють Верхня секція під'єднана до Плавлення титанових сплавів / Аналітичний огляд джерела живлення, другий кінець якого з'єднаний по вітчизняним і зарубіжним джерелам - ООНТІ через піддон з заготовкою, що формується На ВІЛС, 1976 - с 48, - прототип] Цей спосіб містить випадок необхідності паралельно струмопідвідної подачу титанової губки у плавильний пристрій, секції до джерела живлення можна підключити плавління її у захисній атмосфері і подальшу розвитратний або невитратний електрод ливку розплава В цьому способі електрод, що не плавиться, зроблений мідним водоохолоджуваним Вказана конструкція кристалізатора дозволяє і встановлюється у вакуумній камері під кутом використати його для електрошлакової наплавки близько 30° до вертикалі і обертається кругом циліндричних поверхонь, зокрема валків прокатсвоєї осі з швидкістю 250об/хв При цьому способі них станів і для виплавки сталевих зливків Разом титанова губка через спеціальну систему подачі у з тим, одержання титанових зливків з титанової вакуумну камеру подається утігель, що перекидагубки у цьому пристрої виключено з-за насичення ється, і плавиться за допомогою дуги, яка горить титану вуглецем або вольфрамом при ерозії захиміж невитратним електродом і тіглем Після запосного кільця або невитратного електрода і неможвнення тігля рідким металом він перекидається і ливості сформувати титановий зливок внаслідок метал зливається у розташований поруч з тіглем у несприятливого розподілу теплової потужності при 34625 цієї конструкції пристрою тепла, що виділяється у шлакової ванні при проСправа в тому, що виділення тепла при електходженні електричного струму, з одночасною розрошлаковому процесі відбувається переважно у ливкою путем витягування заготовки з металевої МІСЦІ контакту електрода і шлакової ванни При ванни канонічній схемі електрошлакового переплавлення Таке рішення забезпечує надійний захист плавитратного електрода існує два таких контактних вильного простору від повітряної атмосфери без місця на зануреної у шлак поверхні витратного застосування вакууму Між тим шлакова ванна електрода і на поверхні металевої ванни В перінтенсивно поглинає хлоріди, що виділяються при шому випадку тепло витрачається на плавління плавлінні титанової губки Розвинена поверхня електрода і перегрівання крапель електродного невитратного електрода, яким є струмопідвідна металу, що стікають у металеву ванну У другому секція кристалізатора, істотно зменшує ЩІЛЬНІСТЬ на підтримання об'єму металевої ванни, необхідструму на цьому електроді, що сприяє підвищенню ного для формування зливка з хорошою поверхйого СТІЙКОСТІ до ерозії Крім того, вільний плавинею, причому цьому сприяє також і тепло що польний простір дозволяє розмістити в ньому ще ступає у металеву ванну разом з краплями один невитратний водоохолоджуваний електрод, електродного металу Інша справа у випадку невищо приводить до подальшого зниження ЩІЛЬНОСТІ тратного електрода Тепло, що виділяється у елеструму і підвищенню СТІЙКОСТІ обох невитратних ктрода, витрачається на розігрів шлакової ванни і електродів до ерозії на нагрівання води, яка охолоджує електрод ПриПереважно у якості захисної атмосфери викосадочний метал може плавиться тільки за рахунок ристати безкисневі шлаки на основі солей плавитепла, що акумульовано у шлакової ванні і на покової кислоти, а дзеркало шлакової ванни і заготоверхні металевої ванни Якщо некомпактний привку, яку витягують, захищати аргоном садочний метал має температуру плавління істотУ цьому випадку забезпечується відсутність у но нижче температури шлакової ванни і є шлаці ІОНІВ кисню, здатних окислити титан Крім малогабаритний, то він може розплавитись ще у того, солі плавикової кислоти при інших рівних шлакової ванні, не доходячи до поверхні металеумовах забезпечують найбільш високу температувої ванни Температура шлакової ванни при елекру шлакового розплава Оскільки аргон важче потрошлакових процесах звичайно не перевищує вітря, їм легше здійснити додатковий захист пла1700°С Тому чавунний дроб діаметром близько вильного простору 2мм плавиться у шлакової ванні Інша справа з В основу винаходу, що пропонується, поставтитановою губкою Температура и плавління сталена також задача вдосконалити відомий пристрій новить 1660°С, фракційний склад -12 - 70мм Тому для здійснення способу одержання монолітного вона може плавитись тільки на поверхні металевої електрода з титанової губки шляхом змінення ванни У зв'язку з цим на місце контакту шлакконструкції струмопідвідного кристалізатора таким металева ванна приходиться подвійне навантачином, щоб він забезпечував різке збільшення ження плавління присадочного металу і формуефективного тепловиділення у плавильній зоні без вання зливка Це вимагає істотно більшій інтенсизбільшення ЩІЛЬНОСТІ струму на невитратному вності тепловиділення у цьому МІСЦІ Збільшення ж електроді загальної потужності процесу мало що дає, оскільЦя задача вирішена тим, що запропоновано ки при цьому збільшується навантаження на невипристрій для одержання монолітного витратного тратній електрод 3 урахуванням того, що у випаделектрода з титанової губки, який містить плавику плавки титану захист невитратного електрода льний пристрій у вигляді розширеної струмопідвідграфітом є неможливим внаслідок насичення тиноі водоохолоджуваної секції кристалізатора, фотану вуглецем, збільшення струмового навантармуючий пристрій у вигляді водоохолоджуваної ження на електрод веде до інтенсивної його елексекції кристалізатора по діаметру потрібного витроерозм тратного електрода, водоохолоджуваний невитратний електрод і джерело живлення, що з'єднано з Вказані обставини є істотними вадами описаструмопідвідною секцією і витратним електродом, них способу і пристрою, які обмежують їхвикорисщо витягують, який, згідно винаходу, містить додатання ткове джерело живлення, що під'єднано до двохВ основу винаходу, що пропонується, поставпровідної мережі живлення синфазно з основним лена задача вдосконалити відомий спосіб одерджерелом живлення і з'єднано з невитратним ележання монолітного витратного електрода з титактродом і витратним електродом, що формується, нової губки за допомогою технологічних прийомів, причому площа поперечного перерізу струмопідвіщо не вимагають вакуумної системи, схильної до и дної секції кристалізатора у 5 - 20 раз перевищує засмічення хлорідами, і підвищити СТІЙКІСТЬ невиплощу перерізу формуючій секції кристалізатора тратного електрода до ерозії Поставлена задача вирішена тим, що у запропонованому способі одержання монолітного витратного електрода з титанової губки, який включає подачу титанової губки у плавильний пристрій, плавління її у захисній атмосфері і подальшу розливку розплава, згідно винаходу, титанову губку подають у плавильний пристрій електрошлакової тчи з струмопідвідним кристалізатором і наведеної в ньому шлаковою ванною, а плавління губки ведуть на поверхні металевої ванни за рахунок Додаткове джерело живлення, з'єднане з невитратним електродом, дає можливість незалежно від теплової потужності, що виділяється у струмоПІДВІДНОІ секції, регулювати тепловкладання у центральної частині шлакової ванни Завдяки синфазному під'єднанню основного і додаткових джерел живлення до двохпровідної мережі живлення, струм у ланцюзі невитратний електрод витратний електрод складається зі струмом у ланцюзі струмопідвідна секція - витратний електрод і 8 34625 лення А і В синфазно Це забезпечує складання обох струмів у шлакової ванні 6 на контактовому опорі шлак-металева ванна Титанову губку 12 подають у шлакову ванну 6 за допомогою дозатора 13 Процес виплавки витратного електрода 7 з титанової губки починають з заповнення камери 1 аргоном, заливання рідкого шлаку 6 у плавильний простір кристалізатора на піддон 10, що встановлено усередині формуючій секції 4 таким чином, щоб верхній зріз піддону 10 розташовувався декілька нижче верхнього зрізу формуючій секції 4, і включення джерел живлення 9 Шлакова ванна 6, яка у рідкому стані є струмопровідною, замикає електричні ланцюги струмопідвідна секція 2 - піддон 10 - витратний електрод 7 і невитратний електрод 11 - піддон 10 -витратний електрод 7, по яких починає протікати струм, який гріє шлакову ванну 6 до температури 1600 - 1700°С Величину цього струму регулюють шляхом змінення напруги холоЗменшення площі поперечного перерізу форстого ходу у ланцюзі струмопідвідна секція 2 - підмуючій секції менше, ніж у 5 разів не забезпечує дон 10 - витратний електрод 7 і зміненням величидосить високої ЩІЛЬНОСТІ струму для плавління ни занурення невитратного електрода 11 у шлак 6 губки і формування зливка Зменшення площі поу ланцюзі невитратний електрод 11 - піддон 10 перечного перерізу формуючій секції більш, ніж у витратний електрод 7 Після прогрівання шлакової 20 раз створює труднощі у подачі губки великих ванни до вказаної температури на шлакову ванну фракцій 6 у плавильний простір кристалізатора за допомоТехнічна суть і принцип дії винаходу пояснюгою дозатора 13 подають титанову губку 12 Заються на прикладах виконання з посиланням на вдяки трохи більш високої ЩІЛЬНОСТІ, ніж має шлак, фіг на який схематично показаний процес електтитанова губка опускається, гріючись у шлакової рошлакової виплавки витратного електрода з тиванні 6, на піддон 10, де і відбувається її плавління танової губки у струмопідвідному кристалізаторі у зоні контактового отру шлак - піддон з утворенСпосіб одержання монолітного витратного ням металевої ванни 8 По мірі розплавління губки електрода з титанової губки складається з навеу формуючій секції встановлюється тепловий бадення шлакової ванни у плавильному просторі ланс між КІЛЬКІСТЮ рідкого і скристалованого метаелектрошлакової тчи з струмопідвідним кристалілу Витягуючи зливок 7 (витратний електрод), що затором і додатковим водоохолоджуваним невистворюється, з формуючій секції 4 за піддон 10, тратним електродом, яку розташовано у камері з підтримують за допомогою будь-яких відомих спозахисною газовою атмосферою, подачі титанової собів (наприклад, за допомогою індуктивного датгубки у цей плавильний простір, плавління цієї чика рівня) постійний рівень рідкої металевої вангубки на поверхні металевої ванни шляхом пропуни у формуючій секції скання електричного струму через шлакову ванну і одночасного витягування заготовки з металевої В реальному випадку здійснення виплавки виванни тратного електрода з титанової губки по способу, що заявляється, конкретні дані такі Для реалізації способу одержання монолітного витратного електрода з титанової губки пропонуВ струмопідвідному кристалізаторі з внутріється пристрій як приклад, але не обмеження В шним діаметром струмопідвідної секції 350мм і камері 1, заповнюваної аргоном, розміщені водовнутрішнім діаметром формуючій секції 100мм охолоджувані струмопідвідна секція 2, проміжна здійснювали електрошлакове плавлення титанової секція 3 і формуюча секція 4, зібрані у струмопідгубки фракційного складу 12 - 20мм під шлаком з відний кристалізатор через ІЗОЛЮЮЧІ прокладки 5 чистого фтористого кальцію Висота шлакової Поперечний переріз струмопідвідної секції 2 у 5 ванни у струмопідвідної секції 40мм Діаметр во20 раз більше поперечного перерізу формуючей доохолоджуваного невитратного електрода секції 4 Шлакова ванна 6 заповнює плавильний 100мм Глибина його занурення у шлак 40мм Попростір кристалізатора таким чином, що вона контужність у ланцюзі струмопідвідна секція - піддон тактує і з струмопідвідною секцією 2, і з формую340 - 380кВт при струмі 9 - 9,5кА, потужність у лачою секцією 4 В формуючей секції розташовують нцюзі невитратний електрод - піддон — 190 витратний електрод 7, що представляє собою 200кВт при струмі 4,8 - 5,2кА При цьому сумарний зливок, що формується з металевої ванни 8 і витяструм, що проходить у перерізі формуючій секції, гується униз з формуючей секції 4 Одно з двох становить 13,8 - 14,7кА Вказаний режим забезпеджерел живлення 9 під'єднано до струмопідвідної чував ЩІЛЬНОСТІ струму на струмопідвідної секції секції 2 і до витратного електрода 7 через піддон 0,205 - 0,216А/мм , на невитратному електроді 10 Друге джерело живлення під'єднують до ви0,235 - 0,255А/мм2, на металевої ванні у формуютратного електрода 7 через піддон 10 і до невичей секції 1,76 - 1,87А/мм2 Плавка постікала протратного водоохолоджуваного електрода 11, який тягом 1 години При цьому вказані ЩІЛЬНОСТІ струзанурено у шлакову ванну 6 Обидва джерела жиму забезпечили достатню СТІЙКІСТЬ І влення 9 під'єднані до двохпровідної мережі живструмопідвідної секції, і невитратного електрода забезпечує підвищення ЩІЛЬНОСТІ струму на контактовому опорі шлак-металева ванна Крім того, зменшення площі поперечного перерізу формуючій секції кристалізатора у 5 - 20 раз в порівнянні з площею поперечного перерізу струмопідвідної секції кристалізатора дозволяє істотно підвищити ЩІЛЬНІСТЬ струму у цьому МІСЦІ В результаті, при порівняно невеликої ЩІЛЬНОСТІ струму на невитратному електроді і у струмопідвідної секції кристалізатора, що дозволяє тривало вести електрошлаковий процес без істотної ерозії струмопідвідних поверхонь, вдається забезпечити таку ЩІЛЬНІСТЬ струму, а отже і питому теплову потужність на контактовому опірі шлак - металева ванна, що тепла, яке виділяється, вистачає і на плавління губки, і на підтримання спільної металевої ванни у формуючій секції кристалізатора, що забезпечує задовільне формування витратного електрода, що витягується з цієї секції 34625 10 Винахід може бути використано з найбільшим ефектом при виробництві витратних електродів з титанової губки для подальшого вакуумнодугового переплавлення від ерозії протягом всього часу виплавки Між тим підвищення у 7 - 8 разів ЩІЛЬНОСТІ струму на металевої ванні забезпечило і плавління титанової губки, і формування суцільного монолітного витратного електрода Фіг. ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90