Способ электронно-лучевого переплава металлов

 

Сущность изобретения: для улучшения качества поверхности слитков и повышения выхода годного в способе электронно-лучевой плавки металла, преимущественно тантала, включающем наведение ванны расплава в сквозном кристаллизаторе, формирование слитка при его вытягивании и вращении, наведение ванны жидкого мет алла ведут в кристаллизаторе с уширенной коничееской верхней частью, уровень ванны расплава поддерживают на расстоянии 0,05 - 0,12 диаметра слитка выше от места уширения, а вытягивание слитка осуществляют с одновременным его вращением. 1 ил.

Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано для плавки тугоплавких металлов, в частности тантала, в электронно-лучевых и плазменных печах.

Известен способ электронной плавки металлов с непрерывным вытягиванием слитка из кристаллизатора, имеющего в зоне расплава цилиндрический участок, а ниже конусный для облегчения вытягивания слитка (Заборонок Г.Ф. и др. Электронная плавка металлов. М.: Металлургия, 1972, с. 132-133). Качество поверхности полученного слитка зависит от внутренней конфигурации кристаллизатора.

Однако из-за прилипания металла к кристаллизатору на поверхности слитков образуются трещины, надрывы, наплывы, что ухудшает ее качество.

Известен также способ получения сталей и сплавов в электронно-лучевых установках с вытягиванием слитка из водоохлаждаемого кристаллизатора, согласно которому слитку придают дополнительное возвратно-поступательное движение для разрушения "короны", образующейся в верхней части кристаллизатора в результате конденсации паров, и уменьшения сопротивления вытягиванию (Санко А.И., Жук А.Я. и др. Улучшение поверхности слитков, выплавляемых в электронно-лучевых печах. Специальная электрометаллургия, 1970, N 9, с. 50-55).

Этот способ позволяет существенно снизить количество трещин на поверхности слитков, но не уменьшает количество наплывов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения слитков в электронно-лучевых установках, включающий наплавку слитка на затравку, формирование слитка в кристаллизаторе при вытягивании и вращении (Заборонок Г. Ф. и др. Электронная плавка металлов. М.: Металлургия. 1972, с. 84). Согласно этому способу вытягивание слитка осуществляют периодическим приложением вытягивающего усилия по оси слитка в вертикальном направлении, независимо от вытягивания осуществляют вращение слитка для перемешивания, равномерного распределения металла, поступающего с расплавленного прутка, и улучшения состояния поверхности.

Однако такой способ не решает проблемы качества слитков, так как при его осуществлении часто образуются наплывы на поверхности слитка вследствие проникновения жидкого металла в образующийся за счет естественной усадки слитка зазор. Деформация гильзы кристаллизатора под действием тепловых нагрузок увеличивает вероятность образования дефектов на поверхности слитка. Наплывы и дефекты на слитке снижают выход годного, на последующей операции оплавления боковой поверхности таких слитков резко ухудшаются технико-экономические показатели.

Кроме того, при плавке тугоплавких металлов, в частности тантала, для первой плавки шихты (заготовки) характерны большое газовыделение и сильное разбрызгивание металла, что вызывает образование "короны". При периодическом вытягивании слитка происходит ее отрыв и хаотическое падение в ванну, что приводит к непроплавам, образованию участков загрязнения, снижению качества слитков и требует проведения дополнительных операций, что увеличивает и потери металла.

Цель изобретения - улучшение качества слитка и повышение выхода годного.

Для этого в способе электронно-лучевого переплава металлов, преимущественно тантала, включающем наведение ванны жидкого металла и формирование слитка в сквозном кристаллизаторе, наведение ванны жидкого металла ведут в кристаллизаторе с уширенной конической верхней частью, причем диаметр зеркала ванны в конической части кристаллизатора устанавливают больше диаметра слитка на величину 0,017-0,044 диаметра слитка, а уровень зеркала ванны - на расстоянии 0,05-0,12 диаметра слитка выше от места уширения, причем вытягивание слитка осуществляют с одновременным его вращением.

Увеличение диаметра зеркала расплава по сравнению со слитком за счет наведения ванны жидкого металла в кристаллизаторе с уширенной конической частью позволяет перекрыть зазор между слитком и кристаллизатором корочкой застывшего металла, которая препятствует проникновению выплесков в этот зазор, исключая образование наплывов и других дефектов на слитке.

Вытягивание слитка винтовым вращением позволяет деформировать застывший металл через фаску как через заходную часть матрицы, перераспределить возникающие напряжения по винтовой линии и избежать поперечного растрескивания слитка. При этом не происходит отрыва и хаотического падения "короны", а идет ее постепенное погружение и расплавление.

Наведение ванны расплава диаметром больше 0,017-0,044 диаметра слитка и на уровне выше его цилиндрической части на 0,05-0,12 диаметра слитка необходимо для достижения пластичного деформирования сформировавшегося по стенкам кристаллизатора металла (закристаллизованного частично расплава), т.е. обеспечивается горячая деформация с небольшой степенью обжатия во избежание растрескивания слитка и в то же время достигается качественное изменение состояния поверхности слитка, уплотнение поверхности контактного металла и выдавливание шлаковых включений к торцу слитка.

Благодаря этому повышается качество поверхности слитка и увеличивается выход годного.

На чертеже представлена схема кристаллизатора во время плавки.

Способ осуществляется в водоохлаждаемом сквозном кристаллизаторе 1 с фаской и фланцем 3, в котором находятся цилиндрическая часть 4 и конусная форма 5 на выходе. Слиток 6 вытягивают с помощью штока 7 с винтовой нарезкой 8 и направляющей опоры 9. Уровень 10 ванны жидкого металла (зеркало расплава) поддерживают на расстоянии 0,05-0,12 диаметра слитка выше от места уширения (от нижней кромки фаски), а диаметр зеркала ванны в верхней уширенной части кристаллизатора устанавливают больше диаметра слитка 6 на величину 0,017-0,044 диаметра слитка.

П р и м е р. Исходным материалом для электронно-лучевой плавки был оплавленный слиток тантала диаметром 250 мм вакуумной электродуговой плавки. Электронно-лучевую плавку осуществляли в печи ЕМО-200 с боковой подгрузкой переплавляемого слитка в кристаллизатор, у которого цилиндрическая часть имела длину 110 мм, диаметр 218 мм, а верхняя коническая фаска 10^o, высота 25 мм, диаметр в верхней части 136 мм.

Пристрелку электронного луча осуществляли на затравку диаметром 125 мм, выставленную в коническую часть кристаллизатора на высоту 15-20 мм от места уширения (от нижней кромки фаски). Вращение затравки при этом проводили со скоростью 2 об./мин. По окончании пристрелки и накопления необходимого количества жидкого металла в кристаллизаторе осуществляли вытяжку слитка вниз. После этого производили сплавление металла электронным лучом с переплавляемого слитка дуговой плавки, который претерпевал одновременную подачу его вперед и вращение. В дальнейшем цикл сплавления металла (накопление жидкого металла) и вытяжки повторяли до получения полновесного (до 300 мг) слитка.

Режим плавки и рафинирования жидкого металла, находящегося в конической части кристаллизатора на уровне 12 мм от нижней кромки фаски, следующий: рабочее напряжение 28-20 кВ; ток пучка 7,9-8,25 А; скорость вытягивания слитка 3 мм/мин; скорость вращения слитка 2 об./мин; скорость плавки 110-115 кг/г.

Вытягивание слитка осуществляли винтовым вращением слитка с помощью штока. По окончании плавки слиток охлаждали в вакууме в течение 3 ч, затем выгружали из печи и проводили наружный осмотр.

Проведенное экспериментальное опробование предлагаемого способа плавки показало достижение требуемого качества слитка. Использование этого способа позволило увеличить извлечение металла на 0,30% за счет уменьшения последующего оплавления слитков и увеличить стойкость кристаллизатора в 2,5 раза. Изменение предложенных геометрических соотношений при плавке повлекло ухудшение качества. Так, в частности, при поддерживании уровня ванны расплава на расстоянии над нижней кромкой фаски менее 0,05 диаметра слитка происходило затекание расплава в зазор, при увеличении уровня ванны свыше 0,12 диаметра слитка от нижней кромки фаски появились трещины, увеличивалась вероятность обрыва. Отклонения от предложенных соотношений между диаметром зеркала ванны и диаметром слитка также повлекли ухудшение качества слитков.

Формула изобретения

СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ПЕРЕПЛАВА МЕТАЛЛОВ, преимущественно тантала, включающий наведение ванны жидкого металла и формирование слитка в сквозном кристаллизаторе, вращение и вытягивание слитка из кристаллизатора, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества поверхности слитка и повышения выхода годного, наведение ванны жидкого металла ведут в кристаллизаторе с уширенной конической верхней частью, причем диаметр зеркала ванны в конической части кристаллизатора устанавливают больше диаметра слитка на величину 0,017 - 0,044 диаметра слитка, а уровень зеркала ванны - на расстоянии 0,05 - 0,12 диаметра слитка выше от места уширения, причем вытягивание слитка осуществляют с одновременным его вращением.

РИСУНКИ

Рисунок 1