RU2174207C1

RU2174207C1 - Device for making and studying molten alloy samples

Info

Publication number: RU2174207C1
Application number: RU2000109412A
Authority: RU
Inventors: В.А. Ильинский; А.А. Рулев; Н.А. Кидалов; Н.А. Осипова
Original assignee: Волгоградский государственный технический университет
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2001-09-27

Abstract

FIELD: metallurgy; obtaining and studying molten alloy samples in conducting laboratory studies of metallurgical processes. SUBSTANCE: device has housing with nonconsumable electrode and flat horizontal electrode located inside said housing. Flat horizontal electrode is located above nonconsumable electrode dividing housing made from high refractory material into working chamber located in upper portion of housing and high-temperature chamber located in lower portion of housing. Substrate of 1-2 mm thick made from high refractory material nonwettable by molten alloy is laid on flat horizontal electrode. Height of upper portion of housing is equal to 10-15 mm. Housing is enclosed in metal casing provided with observation port in its upper portion. EFFECT: possibility of observing metallurgical processes in alloys and processes in metal-to-mold core contact zone. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение предназначено для получения и исследования проб жидких сплавов при проведении лабораторных исследований металлургических процессов на поверхности сплава и может найти применение в исследовательских лабораториях. The invention is intended to obtain and study samples of liquid alloys during laboratory studies of metallurgical processes on the surface of the alloy and may find application in research laboratories.

Известна электродуговая печь постоянного тока для плавления металлов, содержащая свод, стены, подину, футерованные огнеупорным материалом, по меньшей мере один электрод, установленный в подине, и один вертикально установленный над расплавляемым металлом, в которой происходит плавление металла за счет тепла электрической дуги, зажигаемой между электродом и поверхностью расплавляемого металла (А. С. N SU 14116063 A3 кл. F 27 В 3/08, опубл. 07.08.88 бюл. N 29). Known DC electric arc furnace for melting metals, containing a arch, walls, hearth, lined with refractory material, at least one electrode mounted in the hearth, and one vertically mounted above the molten metal, in which the metal is melted due to the heat of an electric arc ignited between the electrode and the surface of the molten metal (A. S. N SU 14116063 A3 class. F 27 B 3/08, publ. 07.08.88 bull. N 29).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся узкие функциональные возможности, связанные с тем, что испускаемый электрической дугой яркий свет затрудняет визуальное наблюдение за поверхностью расплавляемого металла. The reasons that impede the achievement of a given technical result include narrow functionality associated with the fact that the bright light emitted by the electric arc makes it difficult to visually observe the surface of the molten metal.

Известен способ плавления дисперсионных материалов в изолированной камере, в котором описано устройство, обеспечивающее нагрев стенок изолированной камеры с помощью омического сопротивления и дуги между двумя горизонтальными электродами, расположенными ниже нагреваемой изолированной камеры (А. С.N SU 1390508 А1 кл. F 27 В 17/02, опубл. 23.04.88 бюл. N 15). A known method of melting dispersion materials in an insulated chamber, which describes a device that provides heating of the walls of an insulated chamber using ohmic resistance and an arc between two horizontal electrodes located below a heated insulated chamber (A. C. N SU 1390508 A1 class. F 27 V 17 / 02, publ. 23.04.88 bull. N 15).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся узкие функциональные возможности, не позволяющие устанавливать на поверхность жидкого сплава образец из малопрочного материала, например формовочной или стержневой смеси, и не позволяющие производить визуальные наблюдения за поверхностью жидкого сплава. The reasons that impede the achievement of a given technical result include narrow functional capabilities that do not allow a sample of low-strength material, for example, molding or core mixture, to be installed on the surface of a liquid alloy, and which do not allow visual observations of the surface of a liquid alloy.

Наиболее близким является устройство для получения проб сплава для спектрального анализа, содержащее цилиндрический водоохлаждаемый тигель с крышкой и механизмом наклона, нерасходуемый электрод с механизмом вертикального перемещения, установленный на крышке, снабженное дополнительным электродом, выполненным в виде диска диаметром 0.8-0.95 диаметра тигля из не смачиваемого расплавом тепло- и электропроводного материала с плотностью менее 2.3 г/см³ и расположенным в тигле ниже нерасходуемого электрода, а дно тигля выполнено с футеровкой из жаростойкого материала, не смачиваемого расплавом с коэффициентом теплопроводности менее 40 Вт/(м•К) (А.С. N SU 1569517 А1 кл. F 27 В 17/02, опубл. 07.06.90. бюл. N 21).The closest is a device for obtaining alloy samples for spectral analysis, containing a cylindrical water-cooled crucible with a lid and a tilt mechanism, a non-consumable electrode with a vertical movement mechanism mounted on the lid, equipped with an additional electrode made in the form of a disk with a diameter of 0.8-0.95 of a crucible diameter of non-wettable heat and melt the electrically conductive material having a density less than 2.3 g / cm ³ and below crucible disposed in a non-consumable electrode and the crucible bottom lining and arranged refractory material not wettable with molten thermal conductivity less than 40 W / (m • K) factor (AS N SU 1569517 A1 cl. F 27 B 17/02, publ. 06.07.90. Bull. N 21).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность визуального наблюдения за поверхностью жидкого сплава и невозможность установки на поверхность расплавленного металла образца из малопрочного материала, например формовочной или стержневой смеси. The reasons that impede the achievement of a given technical result include the impossibility of visual observation of the surface of the liquid alloy and the inability to install a sample of low-strength material, for example, molding or core mixture, on the surface of molten metal.

Задачей предлагаемого технического решения является создание конструкции устройства для получения и исследования проб жидких сплавов, обеспечивающего возможность установки на поверхность жидкого сплава образца из малопрочного материала, например формовочной или стержневой смеси. The objective of the proposed technical solution is to create a device design for receiving and studying samples of liquid alloys, which makes it possible to install a sample of low-strength material, for example, molding or core mixture, on the surface of a liquid alloy.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого устройства для получения и исследования проб жидких сплавов, является возможность визуального наблюдения за металлургическими процессами в сплаве и за процессами в контактной зоне металл - литейный стержень. The technical result achieved by using the proposed device for obtaining and studying samples of liquid alloys is the ability to visually monitor the metallurgical processes in the alloy and the processes in the contact zone of the metal - casting core.

Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения и исследования проб жидких сплавов, содержащем корпус с размещенными в нем нерасходуемым и плоским горизонтальным электродами, плоский горизонтальный электрод расположен выше нерасходуемого электрода и делит корпус, выполненный из высокоогнеупорного материала, на рабочую камеру, расположенную в верхней части корпуса, и высокотемпературную камеру, расположенную в нижней части корпуса, причем на плоском горизонтальном электроде установлена подложка толщиной 1-2 мм из высокоогнеупорного материала, не смачиваемого жидким сплавом, при этом корпус, выполненный из высокоогнеупорного материала заключен в металлический кожух, в верхней части которого выполнено окно для визуального наблюдения, причем между корпусом и металлическим кожухом расположен теплоизоляционный материал. The technical result is achieved by the fact that in the device for receiving and studying samples of liquid alloys containing a housing with non-consumable and flat horizontal electrodes placed in it, a flat horizontal electrode is located above the non-consumable electrode and divides the body made of highly refractory material into a working chamber located in the upper part of the housing, and a high-temperature chamber located in the lower part of the housing, and a substrate is mounted on a flat horizontal electrode then a thickness of 1-2 mm from a highly refractory material not wettable by a liquid alloy, while a case made of high refractory material is enclosed in a metal casing, in the upper part of which a window for visual observation is made, and a heat-insulating material is located between the casing and the metal casing.

Кроме того, высота верхней части корпуса равна 10-15 мм. In addition, the height of the upper part of the body is 10-15 mm.

Установка в корпусе плоского горизонтального электрода над нерасходуемым электродом позволяет поместить на плоском горизонтальном электроде подложку толщиной 1-2 мм из высокоогнеупорного материала, не смачиваемого жидким сплавом, и исследовать расплавы, активно взаимодействующие с материалом плоского горизонтального электрода, выполненного из графита, например железоуглеродистые сплавы. Так же такое расположение электродов позволяет электрической дуге находится в высокотемпературной камере, и ее яркий свет не препятствует визуальным наблюдениям за металлургическими процессами в сплаве и за процессами в контактной зоне металл - литейный стержень. Электрическая дуга, зажигаемая между электродами, разогревает плоский горизонтальный электрод, который передает тепловую энергию подложке из высокоогнеупорного материала с находящимся на ней образцом исследуемого сплава. Installing a flat horizontal electrode in a housing above a non-consumable electrode makes it possible to place a 1-2 mm thick substrate of a high refractory material not wetted by a liquid alloy on a flat horizontal electrode and to study melts actively interacting with a flat horizontal electrode material made of graphite, for example, iron-carbon alloys. Also, this arrangement of electrodes allows the electric arc to be located in a high-temperature chamber, and its bright light does not interfere with visual observations of metallurgical processes in the alloy and processes in the contact zone of the metal-casting core. An electric arc ignited between the electrodes heats a flat horizontal electrode, which transfers thermal energy to a substrate of high refractory material with a sample of the alloy under study on it.

Снижение нижнего предела толщины подложки менее 1 мм может привести к разрушению подложки в процессе работы устройства, а так же к технологическим трудностям в процессе изготовления подложки. Увеличение толщины подложки более 2 мм может привести к увеличению тепловых потерь и снижению температуры жидкого сплава. Reducing the lower limit of the thickness of the substrate to less than 1 mm can lead to destruction of the substrate during operation of the device, as well as to technological difficulties in the process of manufacturing the substrate. An increase in the thickness of the substrate of more than 2 mm can lead to an increase in heat loss and a decrease in the temperature of the liquid alloy.

Снижение нижнего предела высоты верхней части корпуса камеры менее 10 мм может привести к увеличению тепловых потерь и снижению КПД устройства, а также к увеличению теплового воздействия на располагаемые над рабочей камерой устройства короткофокусные оптические приборы, необходимые для визуального наблюдения за металлургическими процессами и за процессами в контактной зоне металл - литейный стержень. Увеличение высоты верхней части корпуса камеры более 15 мм может привести к увеличению глубины рабочей камеры устройства, что может затруднить установку на каплю жидкого сплава образца из молопрочного материала, например формовочной или стержневой смеси. Lowering the lower limit of the height of the upper part of the chamber body to less than 10 mm can lead to an increase in heat loss and a decrease in the efficiency of the device, as well as to an increase in the thermal effect on the short-focus optical devices located above the working chamber, which are necessary for visual observation of metallurgical processes and processes in contact zone metal - casting core. An increase in the height of the upper part of the chamber body over 15 mm can lead to an increase in the depth of the working chamber of the device, which may complicate the installation of a sample of milk-resistant material, for example, molding or core mixture, onto a drop of liquid alloy.

Такое решение позволяет уменьшить тепловое воздействие на располагаемые над рабочей камерой устройства короткофокусные оптические приборы, необходимые для визуального наблюдения за процессами, происходящими на поверхности сплава. This solution allows to reduce the thermal effect on the short-focus optical devices located above the working chamber of the device, which are necessary for visual observation of the processes occurring on the alloy surface.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, продольный разрез, на фиг. 2 изображен плоский горизонтальный электрод, на фиг. 3 представлены фотографии, фиксирующие моменты кристаллизации стали 110Г13Л, на фиг. 4 представлены фотографии, изображающие динамику проникновения жидких оксидов железа, образующихся на поверхности затвердевшей капли стали 30СГЛ в литейный стержень, полученные с помощью предлагаемого устройства. In FIG. 1 shows the proposed device, a longitudinal section, in FIG. 2 shows a flat horizontal electrode; FIG. 3 shows photographs of the crystallization moments of 110G13L steel; in FIG. 4 presents photographs depicting the dynamics of the penetration of liquid iron oxides formed on the surface of a hardened drop of steel 30СГЛ into the casting rod, obtained using the proposed device.

Устройство содержит корпус 1, разделенный плоским горизонтальным электродом 2 на две камеры: рабочую 3 и высокотемпературную 4. Рабочая камера 3 расположена в верхней части корпуса 1, а высокотемпературная камера 4 расположена в нижней части корпуса 1. Корпус 1 выполнен из хромомагнезита или другого высокоогнеупорного материала. Высота верхней части корпуса 1 должна быть 10-15 мм, она определяет глубину рабочей камеры 3. Уменьшение этого размера может привести к увеличению тепловых потерь и снижению КПД устройства, а также к увеличению теплового воздействия на расположенные над рабочей камерой 3 устройства оптические приборы, необходимые для визуального наблюдения за металлургическими процессами и за процессами в контактной зоне металл - литейный стержень. Превышение этого размера приведет к увеличению глубины рабочей камеры 3 устройства, что затруднит установку на каплю расплавленного металла образца из малопрочного материала, например формовочной или стержневой смеси. В высокотемпературной камере 4 располагается нерасходуемый электрод 5. Между нижней частью плоского горизонтального электрода 2 и нерасходуемым электродом 5 зажигается электрическая дуга, которая разогревает плоский горизонтальный электрод 2 до температуры 1700- 1900^oC. Таким образом, плоский горизонтальный электрод 2 является нагревательным элементом, который отдает тепловую энергию сплаву. Плоский горизонтальный электрод 2 (фиг. 2) имеет рабочий участок А, под центральной частью которого зажигается электрическая дуга и токоподводящий участок Б с отверстием, к которому крепится медный токопровод 6. Размер токоподводящего участка Б должен быть не меньше размера рабочего участка А, чтобы температура в месте крепления медного токопровода 6 не превышала 700- 800^oC. В противном случае может произойти разрушение крепления медного токопровода 6 и выход из строя всего устройства. Нерасходуемый электрод 5 представляет собой стержень размером в сечении 10-12 мм. Плоский горизонтальный электрод 2 и нерасходуемый электрод 5 целесообразно изготовить из графита. На плоском горизонтальном электроде 2 устанавливается подложка 7 из высокоогнеупорного, не смачиваемого жидким сплавом материала, например алунда, на которой располагается образец 8 исследуемого сплава. Подложка 7 необходима для предотвращения взаимодействия жидкого сплава с графитом плоского горизонтального электрода 2, которое может привести к науглероживанию жидкого сплава. Подложка 7 имеет толщину 1-2 мм. Уменьшение этого размера может привести к разрушению подложки 7 в процессе работы устройства, а также к технологическим трудностям в процессе изготовления подложки 7. Превышение этого размера может привести к увеличению тепловых потерь и снижению температуры жидкого сплава. Для уменьшения тепловых потерь и увеличения КПД устройства корпус 1 окружен теплоизоляцией, состоящей из насыпной изоляции 9, в качестве которой может быть использована шамотная крошка, и слоя асбестовой изоляции 10.The device comprises a housing 1, divided by a flat horizontal electrode 2 into two chambers: a working 3 and a high-temperature 4. The working chamber 3 is located in the upper part of the housing 1, and the high-temperature chamber 4 is located in the lower part of the housing 1. The housing 1 is made of chromomagnesite or other highly refractory material . The height of the upper part of the housing 1 should be 10-15 mm, it determines the depth of the working chamber 3. A decrease in this size can lead to an increase in heat loss and a decrease in the efficiency of the device, as well as to an increase in the thermal effect on the optical devices located above the working chamber 3 for visual observation of metallurgical processes and processes in the contact zone of the metal - casting core. Exceeding this size will increase the depth of the working chamber 3 of the device, which will complicate the installation of a sample of low-strength material, for example, molding or core mixture, onto a drop of molten metal. A non-consumable electrode 5 is located in the high-temperature chamber 4. An electric arc is ignited between the lower part of the flat horizontal electrode 2 and the non-consumable electrode 5, which heats the flat horizontal electrode 2 to a temperature of 1700-1900 ^o C. Thus, the flat horizontal electrode 2 is a heating element, which gives thermal energy to the alloy. The flat horizontal electrode 2 (Fig. 2) has a working section A, under the central part of which an electric arc is ignited and a current-carrying section B with an opening to which a copper conductor 6 is attached. The size of the current-carrying section B must be no less than the size of the working section A, so that the temperature in the place of attachment of the copper conductor 6 did not exceed 700-800 ^o C. Otherwise, the destruction of the attachment of the copper conductor 6 and the failure of the entire device may occur. Non-consumable electrode 5 is a rod with a cross-sectional size of 10-12 mm A flat horizontal electrode 2 and a non-consumable electrode 5 are expediently made of graphite. A substrate 7 is mounted on a flat horizontal electrode 2 from a highly refractory material not wettable by a liquid alloy, for example alunda, on which a sample 8 of the studied alloy is located. The substrate 7 is necessary to prevent the interaction of the liquid alloy with graphite flat horizontal electrode 2, which can lead to carburization of the liquid alloy. The substrate 7 has a thickness of 1-2 mm. Reducing this size can lead to the destruction of the substrate 7 during operation of the device, as well as to technological difficulties in the process of manufacturing the substrate 7. Exceeding this size can lead to an increase in heat loss and lower temperature of the liquid alloy. To reduce heat loss and increase the efficiency of the device, the housing 1 is surrounded by a thermal insulation consisting of bulk insulation 9, which can be used fireclay chips, and a layer of asbestos insulation 10.

Все элементы устройства смонтированы в металлическом кожухе 11, в верхней части которого имеется окно 12 над рабочей камерой 3, а на боковой поверхности кожуха 11 имеется отверстие 13 для медного токопровода 6. Кожух закрывается крышкой 14, в которой имеется отверстие 15 для нерасходуемого электрода 5, электрический ток к которому подводится по медному токопроводу 16. All elements of the device are mounted in a metal casing 11, in the upper part of which there is a window 12 above the working chamber 3, and on the side surface of the casing 11 there is an opening 13 for a copper conductor 6. The casing is closed by a cover 14, in which there is an opening 15 for a non-consumable electrode 5, electric current to which is supplied through a copper current lead 16.

Устройство работает следующим образом. На плоский горизонтальный электрод 2 и нерасходуемый электрод 5 подается ток от трансформатора. Нерасходуемый электрод 5 приводится в кратковременное соприкосновение с плоским горизонтальным электродом 2. После разъединения электродов 2 и 5 между ними загорается электрическая дуга. Под действием электрической дуги плоский горизонтальный электрод 2 разогревается и передает тепловую энергию подложке 7, от которой тепловая энергия передается нагреваемому образцу 8, после расплавления которого могут быть произведены визуальные наблюдения за металлургическими процессами в сплаве и за процессами в контактной зоне металл - литейный стержень с помощью короткофокусной оптики 15-30-кратного увеличения. Использование электрической дуги в сочетании с разогреваемым ею плоским горизонтальным электродом 2 позволяет обеспечить быстрый нагрев образца 8 (для разогрева рабочей камеры 3 от комнатной температуры до температуры плавления образца 8 из углеродистой стали необходимо 5-10 мин). Расположение плоского горизонтального электрода 2 выше нерасходуемого электрода 5 позволяет электрической дуге находится в высокотемпературной камере 4 и ее яркий свет не препятствует проведению визуальных наблюдений за жидким сплавом. Изменяя величину тока, подаваемого на электроды 2 и 5, можно регулировать скорость нагрева и охлаждения образца 8 исследуемого сплава, обеспечивая температурные режимы, необходимые для конкретных исследований. The device operates as follows. A current from the transformer is supplied to the flat horizontal electrode 2 and the non-consumable electrode 5. The non-consumable electrode 5 is brought into short-term contact with the flat horizontal electrode 2. After the electrodes 2 and 5 are disconnected, an electric arc ignites between them. Under the action of an electric arc, the flat horizontal electrode 2 heats up and transfers thermal energy to the substrate 7, from which thermal energy is transferred to the heated sample 8, after melting of which visual observations of metallurgical processes in the alloy and processes in the contact zone of the metal - casting rod can be made using short-focus optics 15-30x magnification. The use of an electric arc in combination with a flat horizontal electrode 2 heated by it allows fast heating of sample 8 (for warming the working chamber 3 from room temperature to the melting temperature of carbon steel sample 8, it takes 5-10 min). The location of the flat horizontal electrode 2 above the non-consumable electrode 5 allows the electric arc to be in the high-temperature chamber 4 and its bright light does not interfere with visual observations of the liquid alloy. Changing the magnitude of the current supplied to the electrodes 2 and 5, it is possible to adjust the heating and cooling rate of sample 8 of the investigated alloy, providing the temperature conditions necessary for specific studies.

С помощью предлагаемого устройства были проведены исследования металлургических процессов кристаллизации стали 110Г13Л. Над рабочей камерой 3 предлагаемого устройства устанавливалась короткофокусная бинокулярная лупа МБС- 9 с подсоединенной видеокамерой. В рабочей зоне устройства на алундовой подложке расплавлялся образец 8 из высокомарганцовистой стали 110Г13Л, видеокамера включалась на запись и прекращалась подача тока на электроды 2 и 5. Видеокамера фиксировала возникновение и рост дендритов на поверхности кристаллизующейся капли (фиг. 3). Кроме этого, проводились исследования взаимодействия расплавленных оксидов железа, образующихся на поверхности затвердевшей капли стали 30СГЛ с литейным стержнем. Над рабочей зоной предлагаемого устройства устанавливалась короткофокусная бинокулярная лупа МБС-9 с с подсоединенной видеокамерой. В рабочей зоне устройства на алундовой подложке расплавлялся образец 8 из углеродистой стали 30СГЛ. После расплавления образца 8 на него устанавливался образец в виде кольца из исследуемой стержневой смеси, видеокамера включалась на запись и прекращалась подача тока на электроды 2 и 5. После затвердевания образца 8 на его поверхности образовывались жидкие оксиды железа, которые проникали между песчинками кварцевого песка исследуемой стержневой смеси, моделируя процесс образования химического пригара на стальном литье (фиг. 4). Using the proposed device, studies of metallurgical processes of crystallization of steel 110G13L were carried out. Above the working chamber 3 of the proposed device was installed short-focus binocular magnifier MBS-9 with a connected video camera. In the working zone of the device, a sample 8 of 110G13L high-manganese steel was melted on an alundum substrate, the video camera was turned on and the current to the electrodes 2 and 5 was stopped. The video camera recorded the occurrence and growth of dendrites on the surface of the crystallizing drop (Fig. 3). In addition, studies were carried out on the interaction of molten iron oxides formed on the surface of a hardened drop of 30СГЛ steel with a casting core. Above the working area of the proposed device, a short-focus binocular magnifier MBS-9 with a connected video camera was installed. In the working zone of the device, a sample 8 of 30SGL carbon steel was melted on an alundum substrate. After the sample 8 was melted, a sample in the form of a ring from the test rod mixture was mounted on it, the video camera was turned on and the current to the electrodes 2 and 5 was stopped. After the sample 8 solidified, liquid iron oxides formed on its surface, which penetrated between the sand grains of the test rod quartz sand mixtures, simulating the process of formation of a chemical burnout on steel casting (Fig. 4).

Использование предлагаемого устройства для получения и исследования проб жидких сплавов позволяет производить визуальные наблюдения за металлургическими процессами в сплаве и за процессами в контактной зоне металл - литейный стержень. Using the proposed device for obtaining and studying samples of liquid alloys allows visual observations of metallurgical processes in the alloy and processes in the contact zone of the metal - casting core.

Claims

1. A device for receiving and researching samples of liquid alloys, comprising a housing with non-consumable and flat horizontal electrodes placed in it, characterized in that the flat horizontal electrode is located above the non-consumable electrode and divides the housing made of highly refractory material into a working chamber located in the upper part case and a high-temperature chamber located in the lower part of the case, and on a flat horizontal electrode there is a substrate with a thickness of 1-2 mm from high refractory m Therians not wettable by molten alloy, wherein the body made of vysokoogneupornogo material enclosed in a metal casing, the top of which has a window for visual observation, and between the body and the metal casing is thermally insulating material.

2. The device according to claim 1, characterized in that the height of the upper part of the housing is 10-15 mm.