Способ контроля и стабилизации межэлектродного промежутка

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков, например из титановых сплавов. Технический результат - повышение выхода годного. Способ включает измерение напряжения на дуге в момент нахождения дуги в центральной части торцевой поверхности электрода и воздействие на электрическую дугу и расплав аксиальным магнитным полем. Осуществляют также регулирование положения расходуемого электрода относительно выплавляемого слитка. На электрическую дугу и расплав осуществляют воздействие радиальным вращающимся магнитным полем частотой переключения 0,1-0,3 Гц и напряженностью 60÷80 эрстед. Радиальное вращающееся магнитное поле формируют посредством по крайней мере шести подключенных к управляющему источнику питания параллельных металлических стержней, расположенных соосно оси кристаллизатора на его наружной поверхности. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков, например из титановых сплавов, в вакуумных дуговых печах.

В настоящее время плавку титановых сплавов производят в вакуумных дуговых электропечах, оснащенных магнитной системой для управления движением расплава и столба дуги. Эта магнитная система представляет собой блок питания и соленоид, намотанный на медный кристаллизатор печи. Меняя направление вектора индукции аксиального (вертикального) магнитного поля, изменением режима работы блока питания соленоида (знакопеременный или пульсирующий) осуществляется управление движением расплава в кристаллизаторе. Однако аксиальное магнитное поле фокусирует электрическую дугу под центральную часть торца электрода, что является причиной ее преждевременного сплавления и последующего затруднения контроля и регулирования межэлектродного промежутка.

Известен способ контроля процесса вакуумной дуговой плавки, включающий измерение напряжения на дуге с получением контролируемого сигнала напряжения, анализ его изменения и регулирование положения расходуемого электрода относительно выплавляемого слитка (патент РФ №2227167, 2004).

Недостатком известного способа является невозможность его использования на дуговых зазорах более 25 мм из-за невозможности выделения сигналов капельных замыканий.

Известен способ вакуумного дугового переплава слитков, включающий подготовку расходуемого электрода к плавлению, начальный период плавки, основной период плавки и окончание процесса плавления, отличающийся тем, что перед основным периодом плавки устанавливают оптимальную величину дугового зазора в пределах 10-60 мм и поддерживают ее с точностью ±5 мм до конца процесса плавления расходуемого электрода путем одновременного измерения напряжения на дуге и повышения давления в печи и корректировки этих величин до необходимых значений изменением скорости перемещения электрода вниз (патент РФ 2164957, 2001) - прототип.

Использование известного способа при плавке на токах свыше 25 кА не позволяет достигнуть необходимой точности измерения и безошибочно регулировать значение межэлектродного промежутка по причине отсутствия плоского торца сплавляемого электрода. Это приводит к снижению выхода годного из-за непроплава боковой поверхности слитка и ликвации, а также к увеличению трудоемкости вследствие необходимости проведения токарной обработки поверхности слитка.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение воспроизводимости процесса получения слитков с хорошо проплавленной поверхностью и минимальной ликвацией легирующих компонентов.

Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются повышение точности определения фактической величины межэлектродного промежутка, исключение центрального углубления торца литого расходуемого электрода в процессе плавки, изменение течения расплавленного металла за счет стекания его по периферии торца электрода и, как результат, изменение направления течения расплавленного металла охлажденного возле стенки кристаллизатора в ванне жидкого металла наплавляемого слитка от периферийной зоны к центру.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля и стабилизации межэлектродного промежутка в процессе плавки в вакуумной дуговой печи, включающем измерение напряжения на электрической дуге и регулирование положения расходуемого электрода относительно выплавляемого слитка, согласно изобретению измерение напряжения на электрической дуге осуществляют в момент ее нахождения в центральной части торцевой поверхности электрода, при этом воздействуют на электрическую дугу и расплав аксиальным магнитным полем и радиальным вращающимся магнитным полем частотой переключения последнего 0,1÷0,3 Гц и напряженностью 60÷80 эрстед. Радиальное вращающееся магнитное поле формируют посредством, по крайней мере, шести подключенных к управляющему источнику питания параллельных металлических стержней, расположенных на наружной поверхности кристаллизатора.

Предлагаемый способ основан на измерении величины межэлектродного промежутка и ее регулировании по результатам измерения. Воздействие аксиального (вертикального) магнитного поля сжимает дугу под торец электрода в центральную область и может сжать до размера радиуса 100 мм. За счет импульса аксиального магнитного поля электрическая дуга на короткий период (1-10 сек) перемещается в центральную часть, где и производится измерение межэлектродного промежутка. Измерение величины межэлектродного промежутка необходимо производить в момент, когда на торцевой поверхности расходуемого электрода сформирован плоский торец, для чего требуется сохранить центральную часть электрода плоской. Воздействием радиального вращающегося магнитного поля в процессе вакуумной дуговой плавки, синхронизируется сплавление торца электрода, при этом воздействующее на электрическую дугу и расплав радиальное вращающееся магнитное поле перемещает перегретую пленку жидкого металла вместе с катодными пятнами из центральной части электрода на кромку, образуя оплавлением радиусную фаску 50÷100 мм и формируя плоский торец электрода. В этом случае исключается ошибка при определении величины межэлектродного промежутка, вносимая наличием углубления из-за преждевременного сплавления центральной части электрода на величину 150÷350 мм.

Меняя величину напряженности радиального вращающегося магнитного поля и скорость частоты его переключения можно в течение плавки регулировать радиус сплавления кромки электрода в пределах 50÷100 мм.

Величина напряженности вращающегося магнитного поля 60÷80 эрстед выбрана из условия нахождения анодного пятна в зазоре (проекции на поверхности ванны жидкого металла наплавляемого слитка) между стенкой кристаллизатора и боковой поверхностью расходуемого литого электрода. Частота переключения вращающегося магнитного поля 0,1÷0,3 Гц обусловлена условием получения максимально возможного выхода годного выплавляемого слитка за счет получения слитка без обточки с хорошо проплавленной боковой поверхностью и возможностью перемещения анодного пятна по поверхности расплава наплавляемого слитка.

Наряду с измерением межэлектродного промежутка осуществляют дополнительно управление кристаллизацией слитка за счет дополнительного воздействия радиального вращающегося магнитного поля, которое с одной стороны уменьшает глубину ванны в центральной части, а с другой стороны - за счет стекания перегретого жидкого металла с кромки торцевой поверхности и уменьшения толщины гарнисажного слоя. Радиальное вращающееся магнитное поле перемещает подвижные катодные пятна из центральной части электрода по периферии электрода, где происходит сплавление цилиндрической и торцевой поверхности литого электрода. Кроме того, перемещение и размещение катодных пятен в относительной близости от стенки кристаллизатора уничтожает «корону» слитка, возникающую за счет брызг жидкого металла и попадания их на стенку кристаллизатора в верхней части наплавляемого слитка. Тем самым исключается попадание в слиток частиц (брызг) с низким содержанием легирующих элементов.

Радиальное вращающееся магнитное поле формируют посредством, по крайней мере, шести подключенных к управляющему источнику питания параллельных металлических стержней. Данный способ создания магнитного поля позволяет в широких пределах и с высокой дискретностью регулировать скорость движения расплава и электрической дуги, задавать необходимую траекторию движения столба дуги в зазоре между стенкой кристаллизатора и электродом и направление движения расплава и дуги.

Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждает следующий пример конкретного выполнения.

В вакуумной дуговой печи ДТВ-10Г производили выплавку слитка из титанового сплава Вт 6 диаметром 1100 мм и массой около 9000 кг. Литой электрод сплава Вт 6 диаметром 1000 мм помещали на поддон диаметром 1100 мм. На медный поддон кристаллизатора для исключения прожога устанавливали темплет соответствующего сплава диаметром 1000 мм и толщиной 50 мм. Между темплетом и литниковой частью литого электрода возбуждали электрическую дугу. Далее производили прогрев нижнего торца литого расходуемого электрода на 10 кА в течение 10 минут. Затем плавно в течение 25 минут ток дуги поднимали до рабочей величины 50 кА и плавили в течение 360 минут. В завершение плавления литого расходуемого электрода проводили выведение усадочной раковины по известной технологии в течение 260 минут. Во время плавки производили контроль межэлектродного промежутка путем измерения напряжения на дуге с определением фактической величины межэлектродного промежутка и устанавливали по нему необходимый дуговой зазор 75⁺¹⁰ мм. Измерение дугового зазора производили в центральной части электрода путем воздействия на электрическую дугу и расплав магнитным полем соленоида, максимальным по величине на данной печи (ток соленоида 50 А, знакопеременный, синусоидальный в течение 5 секунд, 50 измерений на дуге). Период измерения между максимальной величиной магнитного поля составлял 10 секунд. Рабочий ток соленоида (амплитуда) во время плавки 10 А. Для исключения выгорания или опережающего сплавления центральной части литого электрода на глубину дополнительно на расплав и электрическую дугу воздействовали вращающимся радиальным магнитным полем напряженностью 70 эрстед и скоростью перемещения по окружности наплавляемого слитка с частотой переключения 0,3 Гц. Далее плавку производили в штатном режиме. Выплавленный слиток отвечал всем требованиям нормативно-технической документации. Поверхность слитка не требовала дополнительной обработки.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить точность контроля и стабилизировать величину межэлектродного промежутка, и, следовательно, повысить выход годного выплавляемых слитков на 1,5-5%.

1. Способ контроля и стабилизации межэлектродного промежутка в процессе плавки в вакуумной дуговой печи, включающий измерение напряжения на электрической дуге и регулирование положения расходуемого электрода относительно выплавляемого слитка, отличающийся тем, что измерение напряжения на электрической дуге осуществляют в момент ее нахождения в центральной части торцевой поверхности электрода, при этом воздействуют на электрическую дугу и расплав аксиальным магнитным полем и радиальным вращающимся магнитным полем с частотой переключения последнего 0,1÷0,3 Гц и напряженностью 60÷80 Э.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что радиальное вращающееся магнитное поле формируют посредством по крайней мере шести подключенных к управляющему источнику питания параллельных металлических стержней, расположенных на наружной поверхности кристаллизатора.