Электродуговая плавильная печь, электродный узел и способ электродуговой плавки

 

Изобретения относятся к устройствам и методам электродуговой плавки металлов и сплавов, которые могут использоваться как для экспериментального получения сплавов с особыми свойствами, так и для их промышленного производства. Электродуговая плавильная печь содержит вакуумную камеру, электродный узел со стержневым нерасходуемым катодом, анод, в качестве которого используют охлаждаемый кристаллизатор с образцом расплавляемого металла или сплава, при этом диаметр части стержневого катода, расположенной в разрядном объеме и удаленной от торца катода, контактирующего с дуговым разрядом, составляет не более 8 мм. Способ электродуговой плавки заключается в зажигании и поддержании дугового разряда между торцевой частью стержневого катода и образцом металла или сплава. Плавка осуществляется при автоматическом поддержании давления плазмообразующего газа и контролируемом расходе газа. Процесс плавки металла производится под действием локализованного в пространстве энерговыделения дугового разряда при величине тока дугового разряда в диапазоне от 50 до 1000 А. Данное конструктивное выполнение электродного узла и способ работы печи обеспечивают устойчивый термоэмиссионный режим стержневого катода при высоких значениях разрядных токов, а также позволяют увеличить энергосодержание в разрядном объеме, локализацию энерговыделения электродугового разряда в пространстве и повысить энергетическую эффективность печи за счет оптимизации размеров стержневого катода в соответствии с рабочим диапазоном токов разряда при заданном уровне давления плазмообразующего газа и заданном диапазоне расстояний между катодом и расплавляемым образцом. 3 с. и 27 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретения относятся к плазменной технике и металлургии, а более конкретно к устройствам и методам электродуговой плавки металлов и сплавов, которые могут использоваться как для экспериментального получения сплавов с особыми свойствами, так и для их промышленного производства. Такие металлы и их сплавы могут найти широкое применение в машиностроении, приборостроении, в авиационной и космической технике.

В настоящее время известны различные установки и способы, предназначенные для электродуговой плавки.

Так, например, в патенте США 3542931 (Н 05 В 7/18, опубл. 24.11.70) описан способ плавки с расходуемым электродом. При осуществлении этого способа между центральным расходуемым электродом и внешним электродом, в качестве которого могут служить стенки плавильной печи, зажигают электрический разряд. Расположение электродов выбирают таким образом, чтобы избежать контакта разряда с ванной расплавленного металла, стекающего со стенок плавильной камеры. При этом межэлектродный объем вакуумируют. Такой способ позволяет эффективно использовать электрическую энергию для плавления металла за счет уменьшения теплообмена расплавляемой порции металла с общей массой расплавленного металла, содержащегося в ванне.

Из патента GB 1114926 (Н 05 В 7/20, опубл. 22.05.68) известна конструкция электродуговой печи, в состав которой входит электродный узел с вольфрамовым нерасходуемым электродом. Этот электрод выполняется в форме стержня и помещается в цилиндрическом отверстии угольного электрододержателя. Через кольцевой зазор между электродами подается плазмообразующий газ, например аргон. Вольфрамовый электрод в известном устройстве снабжен системой принудительного жидкостного охлаждения. Работа печи осуществляется при зажигании разряда между электродом и расплавляемым металлом. Указанное выполнение электродного узла позволяет сконцентрировать энергию электрического разряда на заданном участке расплавляемого металла и за счет этого уменьшить время плавки.

Из уровня техники известен также способ электродуговой плавки металлов согласно авторскому свидетельству СССР 345208 (С 21 С 5/56, опубл. 14.08.72), который заключается в использовании сильноточной дуги для получения слитков металлов высокой чистоты. Для этого давление инертного газа в разрядном промежутке и плотность тока на катоде выбираются таким образом, чтобы электрическая дуга имела стационарный характер и разряд равномерно распределялся по поверхности термоэмиссионного катода. Анодом при таком разряде служит расплавляемый металл.

Наиболее близким аналогом заявленной электродуговой плавильной печи является устройство, раскрытое в описании патента RU 2032998 (Н 05 В 7/20, А61С 13/20, опубл. 10.04.95). В состав известной электродуговой плавильной печи входит вакуумная камера, внутри которой расположен электродный узел со стержневым катодом и анод. Плавильная печь содержит также систему откачки и напуска газа и источник электропитания. В этом устройстве анод выполнен в виде охлаждаемого кристаллизатора с образцом расплавляемого металла или сплава, который устанавливается напротив катода. С помощью такого устройства возможно также осуществление электродуговой плавки образцов тугоплавких металлов и сплавов в виде порошка при низком давлении рабочего газа.

В известном устройстве для электродуговой плавки генерируется дуговой разряд низкого давления, который обладает рядом качественных особенностей и имеет следующие преимущества по сравнению с дугой атмосферного давления.

Структура дуги низкого давления существенно отличается от структуры дуги атмосферного давления, для которой характерные величины выделяемой энергии в прикатодной области, в прианодной области и в столбе дуги сравнимы между собой. Плазма разряда атмосферного давления достаточно однородна и не содержит каких-либо специфических зон. С понижением давления распределение потенциала по длине дуги существенно изменяется: возрастает прикатодное падение потенциала и снижается прианодное падение потенциала и падение потенциала в столбе дуги. В этом случае плазма имеет существенную неоднородность, которая характеризуется наличием ярко светящейся шаровой катодной зоны разряда на фоне слабо излучающего столба дуги. При этом происходит локализация энерговыделения в области шаровой катодной зоны. Размеры катодной зоны увеличиваются с уменьшением давления и увеличением тока и могут достигать нескольких сантиметров при использовании рабочих сред с большим потенциалом ионизации. Кроме того, в плазме дуги низкого давления отсутствуют ионы и атомы материала катода из-за относительно низкой температуры катода, что свидетельствует о высокой чистоте плазмы и соответственно пригодности такого разряда для технологических целей.

Как было установлено, увеличение энергии, выделяемой в дуге при повышении давления газовой среды и при увеличении межэлектродного расстояния, определяется ростом энерговыделения в столбе разряда и в прианодной области. При снижении давления от 0,47•10⁵ до 0,67•10³ Па происходит интенсивное энерговыделение, локализованное в шарообразной прикатодной зоне. Было также обнаружено, что эффективный вольт-эквивалент энергии, выделяемой на аноде, значительно зависит от давления, определяющего пространственно-энергетическую структуру дуги, и от межэлектродного расстояния. При введении анода, на котором помещен обрабатываемый материал, в шаровую катодную зону происходит его более интенсивный нагрев, обусловленный высокой концентрацией энергии в этой области. В результате этого повышается эффективность использования электрической энергии при плавке металлов. Для дуги атмосферного давления такой эффект не может быть достигнут, поскольку повышение энерговыделения на аноде при фиксированном токе в этом случае возможно только при увеличении длины дуги, однако при этом из-за увеличения потерь из столба дуги значительно снижается эффективность процесса плавки.

Несмотря на указанные выше достоинства электродуговой плавки металлов с помощью устройства, описанного в патенте RU 2032998, известное устройство не позволяет производить плавку в широком диапазоне разрядных токов при условии стабильной работы катода в термоэмиссионном режиме. Это связано с тем, что при неоптимизированных размерах поперечного сечения стержневого катода возможно существенное изменение его теплового режима, и, как следствие, контрагирование дугового разряда и увеличение эрозии катода. Данные явления в целом влияют на эффективность использования электроэнергии при плавке тугоплавких металлов, на чистоту выплавляемых образцов и на ресурс электродуговой печи.

Электродный узел, описанный в патенте RU 2032998, выбран в качестве наиболее близкого аналога патентуемого электродного узла. Известный электродный узел содержит стержневой катод, выполненный из тугоплавкого материала, закрепленный в токовводе и установленный в отверстии электроизолирующей втулки, и корпус, в котором размещены элементы крепления стержневого катода. Электроизолирующий корпус электродного узла позволяет избежать привязки дугового разряда к токовводу, что способствует локализации дугового разряда. Кроме того, выполнение токоввода в известном устройстве в виде двух элементов и размещение его в замкнутом корпусе позволяет обеспечить температурную стабилизацию электродного узла. Это обстоятельство дает возможность исключить из конструкции узла систему принудительного охлаждения катода. Однако, несмотря на перечисленные преимущества, в известном электродном узле не может быть обеспечена полная стабилизация термоэмиссионного режима работы катода в широком диапазоне разрядных токов (до 1000 А), что в целом ограничивает энергетическую эффективность устройства и ресурс его работы.

В описании патента RU 2032998 раскрыт также и способ электродуговой плавки металлов, который включает в себя откачку вакуумной камеры, заполнение ее плазмообразующим газом до давления в диапазоне от 0,67•10³ до 0,47•10³ Па (5÷350 мм рт. ст.). После этого, согласно известному способу, устанавливают заданное межэлектродное расстояние и зажигают дуговой разряд между торцевой частью нерасходуемого стержневого катода и образцом металла или сплава. Такой образец помещают в охлаждаемом кристаллизаторе, который также выполняет функцию анода. При этом плавку осуществляют под действием энерговыделения локализованного дугового разряда. После плавки одного образца стержневой катод устанавливается над следующим образцом и процесс плавки повторяется. Описанный способ электродуговой плавки выбран в качестве наиболее близкого аналога патентуемого способа.

При осуществлении способа-аналога за счет выбранного соотношения длины катода к его диаметру разогрев катода происходит преимущественно в его торцевой части. В условиях относительно низкого остаточного давления рабочего газа дуговой разряд имеет диффузный характер и локализован в малом объеме разрядного промежутка. При этом возможна организация процесса плавки с высокой плотностью энерговклада в анод (расплавляемый образец) при малых разрядных промежутках. Вследствие малого газодинамического воздействия такой дуги также появляется возможность электродуговой плавки образцов металлов и сплавов в виде порошков. Однако из-за того, что в известных технических решениях не оптимизирован (в соответствии с рабочим диапазоном токов) поперечный размер стержневого катода, через который осуществляется теплоотвод к узлу его крепления, не исключена возможность изменения теплового режима катода. В результате этого может произойти переход разряда из рабочего (расчетного) режима с диффузным пятном контакта дуги на катоде в режим с контрагированным пятном. Такому переходу, как правило, сопутствует интенсивное испарение и распыление материала электрода, что в целом приводит к резкому снижению его ресурса и возможному загрязнению металла образца продуктами эрозии катода. Кроме того, изменение рабочего (расчетного) режима работы катода приводит к резкому снижению его ресурса.

В основу настоящего изобретения положена задача, связанная с разработкой конструкции электродуговой плавильной печи и способа ее работы, обеспечивающих устойчивое горение дугового разряда низкого давления в широком диапазоне токов разряда (до 1000 А). Решение этой задачи позволяет увеличить энерговыделение в аноде (т.е. в расплаве образца) при высокой эффективности энерговыделения дугового разряда за счет создания и соответствующего использования специально сформированной устойчивой структуры плазмы в катодной зоне. Такое плазменное образование должно быть локализовано в пространстве и обладать плотностью энерговыделения в диапазоне от 10² до 10⁴ Вт/см³. Достижение этого результата связано с оптимизацией размеров поперечного сечения стержневого катода, что требуется для его стабильной работы в заданном термоэмиссионном режиме при разрядных токах от 50 до 1000 А. При этом ставится также задача обеспечить высокую работоспособность катода при больших значениях разрядных токов (до 1000 А), что требуется для увеличения энерговыделения в зоне плавки.

Решение указанных задач позволяет реализовать следующие технические результаты: повысить энергетическую эффективность электродуговой плавки металлов и их сплавов, повысить температуру расплава, увеличить ресурс катодного узла печи и расширить диапазон регулируемого изменения энерговыделения в зоне плавки.

Перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что электродуговая плавильная печь с нерасходуемым катодом включает в свой состав следующие узлы, системы и конструктивные элементы: вакуумную камеру, в которой установлен электродный узел со стержневым катодом, выполненным из тугоплавкого материала; анод, выполненный в виде охлаждаемого кристаллизатора, по меньшей мере, с одним образцом расплавляемого металла или сплава, систему откачки и напуска газа и систему электропитания. При этом анод устанавливается в вакуумной камере напротив катода. Кроме того, согласно настоящему изобретению, диаметр, по крайней мере, части стержневого катода, расположенной в разрядном объеме и удаленной от торца катода, контактирующего с дуговым разрядом, составляет не более 8 мм. При таком выполнении катода осуществляется оптимальный нагрев катода при токах от 50 до 1000 А с целью обеспечения необходимого уровня термоэмиссии электронов с его рабочей поверхности и увеличения энергосодержания в разряде. Данное ограничение сечения катода определяет оптимальный тепловой режим работы в выбранном диапазоне токов и исключает интенсивную эрозию материала катода. Использование такого нерасходуемого катода позволяет увеличить ресурс электродного узла печи. При увеличении энерговыделения в локализованном разрядном объеме появляется также возможность расширить диапазон регулирования энерговыделения в зоне плавки.

В предпочтительном варианте исполнения стержневой катод выполняется цилиндрической формы, а его диаметр составляет от 3 до 8 мм.

Целесообразно, чтобы отношение длины части стержневого катода, расположенной в разрядном объеме, к его наибольшему диаметру составляло от 10 до 25.

В предпочтительном варианте исполнения электродного узла стержневой катод закрепляется в токовводе и устанавливается в отверстии электроизолирующей втулки. При этом элементы крепления стержневого катода располагаются в корпусе электродного узла, выполненном из электропроводящего материала. Корпус электродного узла изолируется от токоввода.

Для того чтобы исключить возможность замыкания электрической дуги на корпус электродного узла, на его внешней поверхности может быть нанесено электроизолирующее покрытие.

Такое электроизолирующее покрытие может быть создано, например, методом микродугового оксидирования.

В частном случае реализации электроизолирующая втулка электродного узла может быть выполнена из корунда (Аl₂О₃).

Желательно также, с целью обеспечения заданного ресурса электродного узла, чтобы корпус электродного узла был выполнен из жаропрочной стали или из титанового сплава.

Изменение режимов работы печи и настройка заданных параметров плавки может быть обеспечена за счет того, что электродный узел со стержневым катодом и/или анод выполняются с возможностью регулируемого изменения межэлектродного расстояния.

Электродный узел со стержневым катодом может быть шарнирно закреплен в вакуумной камере с возможностью азимутального перемещения относительно образца расплавляемого металла или сплава. Такое выполнение позволяет изменять положение стрежневого катода относительно расплавляемых образцов как в процессе плавки, так и перед ее началом.

Предпочтителен вариант исполнения электродуговой плавильной печи, включающей в свой состав автоматическую систему регулирования состава, расхода и давления газа в разрядном объеме. Такая система может включать в свой состав блок измерения и управления, который связан с системой откачки и напуска газа и с системой электропитания.

Узлы и блоки системы автоматического регулирования, системы откачки и напуска газа и системы электропитания преимущественно устанавливаются в корпусе, на котором закреплена вакуумная камера.

Перечисленные выше технические результаты достигаются также при использовании электродного узла электродуговой печи, содержащего стержневой катод, выполненный из тугоплавкого материала, закрепленный в токовводе и установленный в отверстии электроизолирующей втулки, и корпус, в котором размещены элементы крепления стержневого катода. Согласно настоящему изобретению диаметр, по крайней мере, части стержневого катода, расположенной в разрядном объеме и удаленной от торца катода, контактирующего с дуговым разрядом, составляет не более 8 мм.

В предпочтительном варианте исполнения стержневой катод в целом выполняется цилиндрической формы, а его диаметр составляет от 3 до 8 мм.

Целесообразно, чтобы отношение длины части стержневого катода, расположенной в разрядном объеме, к его наибольшему диаметру находилось в диапазоне от 10 до 25.

Токоввод электродного узла предпочтительно выполняется в виде цангового зажима и включает в свой состав втулку конической формы, в осевом отверстии которой установлен стержневой катод, токоподводящий элемент с осевым коническим отверстием и накидную гайку.

Корпус электродного узла в предпочтительном варианте исполнения выполняется из электропроводящего материала и электроизолируется от токоввода. Данное конструктивное исполнение электродного узла исключает дугообразование между корпусом электродного узла и электродами.

Для повышения надежности работы электродного узла на внешней поверхности его корпуса может быть образовано электроизолирующее покрытие. Такое покрытие преимущественно создается методом микродугового оксидирования.

Корпус электродного узла предпочтительно выполняется из жаропрочной стали или из титанового сплава. Электроизолирующая втулка выполняется из корунда.

Достижение перечисленных выше технических результатов обеспечивается также при осуществлении способа электродуговой плавки металлов, который включает следующие операции: откачку вакуумной камеры, заполнение ее плазмообразующим газом до давления в диапазоне от 0,67•10³ до 0,47•10⁵ Па, установление заданного межэлектродного расстояния, зажигание дугового разряда между торцевой частью нерасходуемого стержневого катода, выполненного из тугоплавкого материала, и образцом металла или сплава, который помещен в охлаждаемый кристаллизатор, служащий анодом. После этого осуществляется плавка под действием энерговыделения локализованного дугового разряда низкого давления. Согласно настоящему изобретению плавку осуществляют при величине тока дугового разряда в диапазоне от 50 до 1000 А. При этом для зажигания и поддержания дугового разряда используют стержневой катод, по крайней мере, часть которого, расположенная в разрядном объеме и удаленная от торца катода, контактирующего с дуговым разрядом, имеет диаметр не более 8 мм.

Для осуществления процесса электродуговой плавки преимущественно используют стержневой электрод цилиндрической формы, диаметр которого составляет от 3 до 8 мм.

Межэлектродное расстояние при различных режимах плавки целесообразно устанавливать в диапазоне от 1 до 50 мм.

Для зажигания разряда между торцевой частью стержневого катода и образцом металла или сплава может использоваться система зажигания с высоковольтным осциллятором. Система зажигания может использоваться для этой цели в различных вариантах исполнения. Высоковольтный осциллятор может быть включен последовательно или параллельно в разрядную цепь электропитания.

Для интенсификации процесса плавки во всем объеме расплавляемого образца преимущественно производится электромагнитное перемешивание металла или сплава с помощью магнитного поля, изменяющегося по заданному закону. Магнитное поле генерируют с помощью соленоида. Такой соленоид устанавливают с внешней стороны кристаллизатора и подключают либо к автономному регулируемому источнику электропитания, либо включают его параллельно или последовательно в цепь электропитания дугового разряда.

В процессе плавки целесообразно осуществлять контролируемое регулирование состава, расхода и давления газа в разрядном объеме. Для этого необходимо автоматическое управление системой откачки и напуска газа. Применение системы автоматического регулирования позволит без участия оператора поддерживать заданное давление газа в разрядном объеме, производить откачку газовых примесей, образующихся в процессе плавки, устанавливать выбранный состав газовой атмосферы в разрядном объеме, а также осуществлять процесс плавки с протоком газа при заранее выбранных параметрах.

Изобретения, сущность которых кратко раскрыта выше, основываются на полученных экспериментальных данных. В результате проведенных исследований было установлено, что режим устойчивой работы стержневых нерасходуемых катодов в условиях диффузной привязки катодного пятна при токах дугового разряда от 50 до 1000 А обеспечивается при определенных размерах поперечного сечения хвостовой части катодов. Устойчивая работа стержневых катодов, выполненных из тугоплавких материалов, в режиме термоэмиссии наблюдается в том случае, если диаметр поперечного сечения хвостовой части катода не превышает 8 мм. Для таких стержневых катодов не требуется принудительное водяное охлаждение. При заданных размерах поперечного сечения катода реализуется такой тепловой режим, при котором преимущественно происходит термоэмиссионное охлаждение электрода и стабильно обеспечивается диффузная привязка дуги на его рабочей поверхности. В этом случае плазмообразующая среда и расплавляемый материал не загрязняются продуктами эрозии катода, работающего в режиме термоэмиссии.

Далее изобретения поясняются описанием конкретных примеров реализации и прилагаемыми чертежами, на которых изображено следующее: на фиг. 1 схематично изображен вид электродуговой печи, выполненной согласно настоящему изобретению; на фиг. 2 изображена конструкция электродного узла, входящего в состав электродуговой печи; на фиг.3 изображена схема электропитания электродуговой печи.

Электродуговая печь, изображенная на фиг.1, состоит из вакуумной камеры 1, в которой установлен электродный узел 2 с возможностью осевого перемещения для изменения межэлектродного расстояния. При этом электродный узел 2 шарнирно закреплен в вакуумной камере 1 с возможностью азимутального перемещения относительно образца расплавляемого металла или сплава, помещенного в кристаллизатор 3, который служит анодом. Перемещение электродного узла 2 в заданных направлениях производится с помощью ручного приспособления 4, герметично установленного на корпусе вакуумной камеры 1.

Кристаллизатор 3 снабжен системой 5 принудительного водяного охлаждения. С внешней стороны кристаллизатора 3 установлен соленоид 6 системы электромагнитного перемешивания металла. В вакуумной камере 1 выполнено оптически прозрачное окно 7 для осуществления визуального наблюдения за процессом плавки.

В электродном узле 2 установлен нерасходуемый стержневой катод 8, образующий вместе с анодом (кристаллизатором 3) разрядный объем плавильной камеры. Стержневой катод 8 выполнен цилиндрической формы, а его диаметр (в том числе и его части, расположенной в разрядном объеме и удаленной от торца катода, контактирующего с дуговым разрядом) составляет 6 мм. Отношение длины части стержневого катода 8, расположенной в разрядном объеме, к его наибольшему диаметру равно 15, при этом длина этой части катода 8 соответственно составляет 90 мм.

В состав электродуговой плавильной печи входит автоматическая система регулирования состава, расхода и давления газа в разрядном объеме. Автоматическая система содержит пульт управления (на чертеже не показан) и блок 9 измерения и управления, связанный с системой 10 откачки и напуска газа, а также с системой 11 электропитания. Узлы и блоки системы автоматического регулирования, системы откачки и напуска газа и системы электропитания установлены в корпусе, на котором с помощью рамы 12 закреплена вакуумная камера 1.

В состав электродного узла 2 входит стержневой катод 8, выполненный из тугоплавкого материала. Катод 8 закреплен в токовводе и установлен в отверстии электроизолирующей втулки 13 (см. фиг.2). Элементы крепления стержневого катода 8 расположены в корпусе 14. Токоввод включает в свой состав втулку 15 конической формы, в осевом отверстии которой установлен стержневой катод 8, токоподводящий элемент 16 с осевым коническим отверстием, и накидную гайку 17. Указанные части токоввода в целом образуют цанговый зажим.

Корпус 14 может быть выполнен из электропроводящего материала (см. фиг. 2). В этом случае он обязательно электроизолируется от токоввода. На внешнюю поверхность корпуса 14, изготовленного из жаропрочной нержавеющей стали или из титанового сплава, наносится электроизолирующее покрытие. В данном примере конструкции электродного узла электроизолирующая втулка 13 выполнена из термостойкой керамики.

Корпус 14 устанавливается на токовводе 16 с помощью накидной гайки 18 и изолируется от него посредством диэлектрической втулки 19, выполненной из корунда. Электродный узел в собранном состоянии должен обладать минимальными потерями электроэнергии на контактных сопротивлениях между катодом 8, цанговым зажимом и токовводом 16. Кроме того, должна быть обеспечена полная гальваническая развязка катода 8 и электропроводящего корпуса 14. При невысоких токовых нагрузках (до 300 А) может применяться корпус 14, выполненный из алюминиевого сплава с электроизолирующим жаропрочным покрытием, получаемым методом микродугового оксидирования.

Разрядная цепь системы электропитания электродуговой печи с нерасходуемым электродом включает в себя следующие элементы (см. фиг.3).

Расположенные в вакуумной камере 1 стержневой катод 8 и кристаллизатор 3, служащий анодом, подключены к разноименным полюсам источника электропитания дуги 20. Соленоид 6, служащий для управляемого перемешивания металла, последовательно включен в электрическую цепь между источником электропитания 20 и кристаллизатором 3. С помощью электронного блока управления 21 производится управление количеством витков соленоида 6, включенных в разрядную цепь электропитания.

Кроме того, в разрядную цепь электропитания включена система 22 зажигания дугового разряда. Одна обмотка трансформатора 23 системы 22 включена последовательно в разрядную цепь между стержневым катодом 8 и источником электропитания 20. Другая обмотка трансформатора 23 подключена к импульсному источнику напряжения 24. Указанные элементы образуют высоковольтный осциллятор, последовательно включенный в разрядную цепь электропитания. Для защиты источника электропитания дуги 20 от высоковольтных импульсов напряжения, генерируемых осциллятором, параллельно ему подключена батарея защитных конденсаторов 25.

Способ работы электродуговой печи с нерасходуемым катодом и соответственно способ работы входящего в состав печи электродного узла осуществляются следующим образом.

Выбранный образец (или образцы) расплавляемого металла или сплава помещается в кристаллизатор 3 (тигель). Кристаллизатор 3 в данном примере реализации изобретений имеет простую стаканообразную форму, при этом в него помещается или насыпается образец металла или сплава соответственно либо в виде монолитной заготовки, либо в виде порошка. В случае необходимости проведения процесса плавки нескольких образцов металлов и сплавов используется кристаллизатор, в днище которого выполнено соответствующее количество технологических лунок для размещения расплавляемых образцов. Вакуумная камера 1 откачивается до заданного уровня остаточного давления (0,1÷0,01 Па).

Затем оператор устанавливает на пульте автоматической системы управления необходимое рабочее давление в вакуумной камере 1 (в диапазоне от 0,67•10³ до 0,47•10⁵ Па) и при необходимости расход газа (при выбранном составе газовой среды). В процессе плавки указанные параметры поддерживаются с помощью системы 10 откачки и напуска газа. Электрические параметры для процесса электродуговой плавки поддерживаются с помощью системы 11 электропитания. С помощью ручного приспособления 4 устанавливается заданное межэлектродное расстояние и угловое (азимутальное) положение электродного узла 2 относительно кристаллизатора 3 и соответственно относительно образца металла. Величина межэлектродного зазора выбирается достаточной для эффективного пробоя с помощью высоковольтного осциллятора. Кроме того, в процессе работы электродуговой печи с помощью приспособления 4 может осуществляться вертикальное и азимутальное перемещение стержневого катода 8 и электродного узла 2 в целом. Между разрядными электродами прикладывается напряжение холостого хода от источника электропитания 20, которое контролируется с помощью блока 9 измерения и управления.

После подготовки печи к работе с блока 9 измерения и управления подается сигнал на импульсный источник напряжения 24 системы 22 зажигания разряда. Источник напряжения 24 генерирует высоковольтный импульс в обмотке трансформатора 23, служащей частью высоковольтного осциллятора. В результате этого в разрядной цепи возбуждаются высокочастотные импульсы напряжения, что приводит к электрическому пробою межэлектродного промежутка и поджигу основного дугового разряда, питание которого осуществляется от источника 20. В процессе поджига дугового разряда защита основного источника 20 электропитания разряда осуществляется с помощью батареи защитных конденсаторов 25, которая включается параллельно в разрядную цепь между вторичной обмоткой трансформатора 23 и полюсами источника 20. Зажигание разряда может производиться также и касанием катодом 8 поверхности анода (кристаллизатора 3).

После зажигания устойчивого дугового разряда между катодом 8 и анодом (кристаллизатором 3) оператором устанавливаются требуемые для осуществления конкретного технологического процесса плавки зазор между катодом образцом металла, токовый режим и контролируемая газовая среда.

Для получения однородных по объему слитков и интенсификации процесса плавки используется система электромагнитного перемешивания жидкого расплава. С помощью соленоида 6 генерируется магнитное поле преимущественно с осевым направлением вектора индукции поля. При взаимодействии внешнего магнитного поля, изменяющегося по заданному в соответствии с конкретным технологическим процессом закону, с током разряда, протекающим через расплав металла, происходит вращательное движение жидкого металла под действием пондеромоторных сил. Витки соленоида 6 в представленном примере реализации изобретений включены последовательно в разрядную цепь электропитания. За счет этого питание соленоида 6 осуществляется от основного источника электропитания 20. С помощью электронного блока управления 21 производится управление количеством рабочих витков соленоида 6, включенных в разрядную цепь электропитания, и, следовательно, величиной генерируемого магнитного поля. В режимах плавки без электромагнитного перемешивания витки соленоида 6 шунтируются электронным блоком управления 21.

В этом случае соленоид 6 обесточивается и находится в пассивном состоянии. Наряду с приведенным примером электропитания соленоида 6 могут использоваться и другие схемы электропитания: соленоид 6 может быть включен параллельно в разрядную цепь или подключен к автономному регулируемому источнику электропитания. Для управления процессом электромагнитного перемешивания могут использоваться различные схемы электронного блока управления 21, например на управляемых тиристорах.

В диапазоне давлений рабочей газовой среды от 0,6•10³ до 0,47•10⁵ Па реализуется дуговой разряд со сферообразным плазменным объемом, локализованным в катодной зоне разрядного промежутка, и диффузной привязкой дуги к катоду. Такое образование обладает высокой удельной энергией (~10²÷10⁴ Вт•см^-3) и легко поддается регулированию за счет изменения давления рабочей среды и тока дугового разряда. При фиксации рабочих параметров на заданном уровне можно плавно регулировать проплавляющую способность дугового разряда путем введения и выведения катодной зоны разряда из расплавляемого металла. Такое регулирование может осуществляться посредством вертикального перемещения катода относительно анода (кристаллизатора 3) с помощью ручного приспособления 4. Это позволяет расширить технологические возможности электродуговой печи: при больших межэлектродных зазорах (30÷50 мм) можно проводить спекание и предварительное оплавление легких мелкодисперсных порошков, а при малых зазорах (1÷10 мм) - плавить тугоплавкие металлы и сплавы. Следовательно, при использовании стандартного оборудования для электродуговой плавки появляется возможность значительно расширить спектр расплавляемых металлов и сплавов.

Стабильное осуществление указанных технологических процессов плавки проводится при диффузной привязке дуги к поверхности стержневого катода 8 и исключении возможного контрагирования дугового разряда. Это обеспечивается путем поддержания заданного теплового режима стержневого катода, при котором происходит преимущественно термоэмиссионное охлаждение катода без использования средств принудительного охлаждения (процесс термоэмиссионного охлаждения катода подробно описан в патенте РФ 2024104). Для стабильного подержания этого процесса требуется определенный тепловой режим катода, который зависит от условий теплоотвода от его рабочей торцевой поверхности посредством теплопроводности в катододержатель.

Как было установлено в результате проведения ряда экспериментов с использованием различных тугоплавких материалов, применяемых для изготовления нерасходуемых катодов, требуемый для осуществления термоэмиссионного охлаждения катода температурный режим при токовых нагрузках от 50 до 1000 А обеспечивается в том случае, если диаметр поперечного сечения стержневого катода не превосходит 8 мм. При этом не требуется, чтобы стержневой катод 8 на всей своей длине имел такое ограничение поперечного сечения. Для этого необходимо ограничить поперечное сечение лишь части стержневого катода, расположенной в разрядном объеме и удаленной от торца катода, контактирующего с дуговым разрядом. Таким образом, достаточно выполнить проточку в той части стержневого катода, которая удалена от его торца, контактирующего с дуговым разрядом, чтобы диаметр катода в этой части не превышал 8 мм. В рассматриваемом примере реализации изобретений используется стержневой катод цилиндрической формы, диаметр которого составляет 6 мм. При выбранных размерах стержневого катода 8 обеспечивается локализация энерговыделения дугового разряда в малом объеме и устойчивое поддержание режима горения разряда с диффузной привязкой дуги на катоде при увеличении разрядного тока до 1000 А. В целом это позволило увеличить и стабилизировать во времени плотность энерговыделения в зоне локализации дугового разряда. Таким образом, появилась возможность регулировать тепловой поток на поверхности и в толще расплавляемого образца путем изменения межэлектродного промежутка и/или изменения величины разрядного тока в широком диапазоне (от 50 до 1000 А).

Контролирование процесса плавки может осуществляться с помощью различных средств измерения, передающих информацию о давлении, составе и расходе плазмообразующего газа, а также о других рабочих параметрах (например, о токе дуги и температуре расплава) на блок 9 измерения и управления, с помощью которого осуществляется автоматическое регулирование параметров электродуговой плавки. Диагностика плазмы разряда и теплового состояния расплава и катода 8 осуществляется с использованием оптических средств контроля через оптически прозрачное окно 7, выполненное в вакуумной камере 1. После окончания плавки металла расплавленный образец охлаждается с помощью системы 5 принудительного водяного охлаждения и готовый слиток извлекается из вакуумной камеры.

Данные, полученные в результате проведенных экспериментальных плавок с помощью электродуговой печи с нерасходуемым катодом, в которой реализованы изобретения, подтверждают возможность существенного повышения энергетической эффективности электродуговой плавки металлов и повышения температуры расплава. При этом за счет стабилизации режима работы катода увеличивается ресурс катодного узла и печи в целом. Кроме того, расширяется диапазон регулируемого изменения энерговыделения в зоне плавки.

Описанные выше изобретения могут использоваться при разработке конструкции электродуговых печей и методов электродуговой плавки металлов и сплавов, которые применяются для экспериментальной плавки металлов с особыми свойствами и для их промышленного производства. В частности, изобретения могут найти применение при изготовлении ювелирных изделий и стоматологических принадлежностей. Кроме того, изобретения могут широко применяться в машиностроении, приборостроении, в медицинской и авиационной и космической технике.

Формула изобретения

1. Электродуговая плавильная печь с нерасходуемым катодом, содержащая вакуумную камеру, в которой установлен электродный узел со стержневым катодом, выполненным из тугоплавкого материала, и анод, выполненный в виде охлаждаемого кристаллизатора, по меньшей мере, с одним образцом расплавляемого металла или сплава, который устанавливается напротив катода, систему откачки и напуска газа и систему электропитания, отличающаяся тем, что диаметр, по крайней мере, части стержневого катода, расположенной в разрядном объеме и удаленной от торца катода, контактирующего с дуговым разрядом, составляет не более 8 мм.

2. Электродуговая плавильная печь по п. 1, отличающаяся тем, что стержневой катод выполнен цилиндрической формы, причем его диаметр составляет от 3 до 8 мм.

3. Электродуговая плавильная печь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что отношение длины части стержневого катода, расположенной в разрядном объеме, к его наибольшему диаметру составляет от 10 до 25.

4. Электродуговая плавильная печь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что стержневой катод закреплен в токовводе и установлен в отверстии электроизолирующей втулки, при этом элементы крепления стержневого катода расположены в корпусе электродного узла, который выполнен из электропроводящего материала и электроизолирован от токоввода.

5. Электродуговая плавильная печь по п. 4, отличающаяся тем, что на внешней поверхности корпуса электродного узла образовано электроизолирующее покрытие.

6. Электродуговая плавильная печь по п. 5, отличающаяся тем, что электроизолирующее покрытие создано методом микродугового оксидирования.

7. Электродуговая плавильная печь по п. 4, отличающаяся тем, что электроизолирующая втулка электродного узла выполнена из корунда.

8. Электродуговая плавильная печь по п. 4, отличающаяся тем, что корпус электродного узла выполнен из жаропрочной стали или титанового сплава.

9. Электродуговая плавильная печь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что электродный узел со стержневым катодом и/или анод выполнены с возможностью регулирования межэлектродного расстояния.

10. Электродуговая плавильная печь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что электродный узел шарнирно закреплен в вакуумной камере с возможностью азимутального перемещения относительно образца расплавляемого металла или сплава.

11. Электродуговая плавильная печь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что содержит автоматическую систему регулирования состава, расхода и давления газа в разрядном объеме, включающую в свой состав блок измерения и управления, связанный с системой откачки и напуска газа и с системой электропитания.

12. Электродуговая плавильная печь по п. 11, отличающаяся тем, что узлы и блоки системы автоматического регулирования, системы откачки и напуска газа и системы электропитания установлены в корпусе, на котором закреплена вакуумная камера.

13. Электродный узел, содержащий стержневой катод, выполненный из тугоплавкого материала, закрепленный в токовводе и установленный в отверстии электроизолирующей втулки, и корпус, в котором размещены элементы крепления стержневого катода, отличающийся тем, что диаметр, по крайней мере, части стержневого катода, расположенной в разрядном объеме и удаленной от торца катода, контактирующего с дуговым разрядом, составляет не более 8 мм.

14. Электродный узел по п. 13, отличающийся тем, что стержневой катод выполнен цилиндрической формы, а его диаметр составляет от 3 до 8 мм.

15. Электродный узел по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что отношение длины части стержневого катода, расположенной в разрядном объеме, к его наибольшему диаметру составляет от 10 до 25.

16. Электродный узел по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что токоввод включает в свой состав втулку конической формы, в осевом отверстии которой установлен стержневой катод, токоподводящий элемент с осевым коническим отверстием и накидную гайку, образующие вместе цанговый зажим.

17. Электродный узел по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что его корпус выполнен из электропроводящего материала и электроизолирован от токоввода.

18. Электродный узел по п. 17, отличающийся тем, что на внешней поверхности корпуса электродного узла образовано электроизолирующее покрытие.

19. Электродный узел по п. 18, отличающийся тем, что электроизолирующее покрытие создано методом микродугового оксидирования.

20. Электродный узел по п. 17, отличающийся тем, что корпус электродного узла выполнен из жаропрочной стали или из титанового сплава.

21. Электродный узел по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что электроизолирующая втулка выполнена из корунда.

22. Способ электродуговой плавки металлов, включающий откачку вакуумной камеры, заполнение ее плазмообразующим газом до давления в диапазоне от 0,67•10³ до 0,47•10³ Па, установление заданного межэлектродного расстояния, зажигание дугового разряда между торцевой частью нерасходуемого стержневого катода, выполненного из тугоплавкого материала, и образцом металла или сплава, который помещен в охлаждаемый кристаллизатор, служащий анодом, и осуществление плавки под действием локализованного энерговыделения дугового разряда, отличающийся тем, что плавку осуществляют при величине тока дугового разряда в диапазоне от 50 до 1000 А, а для зажигания и поддержания дугового разряда используют стержневой катод, по крайней мере, часть которого, расположенная в разрядном объеме и удаленная от торца катода, контактирующего с дуговым разрядом, имеет диаметр не более 8 мм.

23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что используют стержневой электрод цилиндрической формы, диаметр которого составляет от 3 до 8 мм.

24. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что межэлектродное расстояние устанавливают в диапазоне от 1 до 50 мм.

25. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что зажигание разряда между торцевой частью стержневого катода и образцом металла или сплава осуществляют с помощью системы зажигания, в состав которой входит высоковольтный осциллятор.

26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что зажигание разряда осуществляют с помощью высоковольтного осциллятора, последовательно или параллельно включенного в разрядную цепь электропитания.

27. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в процессе электродуговой плавки осуществляют электромагнитное перемешивание расплавленного металла или сплава с помощью магнитного поля, генерируемого соленоидом, который установлен с внешней стороны кристаллизатора.

28. Способ по п. 27, отличающийся тем, что для электромагнитного перемешивания используют соленоид, подключенный к автономному регулируемому источнику электропитания.

29. Способ по п. 27, отличающийся тем, что для электромагнитного перемешивания используют соленоид, который последовательно или параллельно включен в разрядную цепь электропитания.

30. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в процессе плавки осуществляют контролируемое регулирование состава, расхода и давления газа в разрядном объеме путем автоматического управления системой откачки и напуска газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 20.11.2006        БИ: 32/2006