RU2114925C1

RU2114925C1 - Method for manufacture of consumable electrodes from lumpy metal wastes

Info

Publication number: RU2114925C1
Application number: RU97106033A
Authority: RU
Inventors: И.Л. Пушкин; В.Г. Бондаренко; А.М. Надежин; Д.И. Пушкин; Б.Г. Церковский; Д.В. Бережной
Original assignee: Московский государственный технологический университет им.К.Э.Циалковского
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 1998-07-10

Abstract

FIELD: metallurgy, more specifically, vacuum arc melting of refractory metals; may be used in manufacture of consumable electrodes in production of castings from titanium alloys with utilization of foundry wastes. SUBSTANCE: method consists in that lumpy wastes are placed in sheet gage adjacent to internal surface of mold. Sheet gage has end flat templets made from material homogeneous with that of charge material. Welding is carried out by passing electric current applied to templets through the entire layer of lumpy material up to its fusion in points of contact with concurrent application of axial force from top for moving lumpy wastes down over gage height as soon as they melt. For reliable welding of lumpy wastes, they are melted in the amount of not less than 10-15% of their total weight. EFFECT: extended range of sizes of lumpy materials used in manufacture of consumable electrodes, simplified and accelerated process of their production. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при изготовлении расходуемых электродов в производстве отливок, например, из титановых сплавов с использованием литейных отходов. The invention relates to metallurgy and can be used in the manufacture of consumable electrodes in the manufacture of castings, for example, of titanium alloys using foundry waste.

Известен способ изготовления расходуемых электродов из шихтовых отходов, которые предварительно отсортировывают по размерам и химическому составу, закладывают в специальные формы и заливают перегретым расплавом того же химического состава. При этом шихтовые отходы вводят в количестве 5-55% от массы электрода [1]. A known method of manufacturing consumable electrodes from charge waste, which are pre-sorted by size and chemical composition, laid in special forms and filled with an overheated melt of the same chemical composition. In this case, charge wastes are introduced in an amount of 5-55% by weight of the electrode [1].

К недостаткам известного способа следует отнести ограниченное использование кусковых отходов, значительный расход первичного металла, длительность, трудоемкость и энергоемкость процесса и загруженность основного плавильно-заливочного оборудования для производства электродов. The disadvantages of this method include the limited use of lumpy waste, a significant consumption of primary metal, the duration, complexity and energy intensity of the process and the load of the main smelting and filling equipment for the production of electrodes.

Известен также способ изготовления расходуемого электрода с использованием литейных отходов до 70% из высокореакционных металлов и сплавов, например, титана, тантала и других. Исходные отходы равномерно загружают по периферии шаблона, установленного в полости кристаллизатора печи, а затем после удаления шаблона и введения в образовавшуюся полость прессованного расходуемого электрода, заплавляют отходы (см. авт. свид. N 191012 кл. H 05 B, 1964). There is also known a method of manufacturing a consumable electrode using foundry waste up to 70% from highly reactive metals and alloys, for example, titanium, tantalum and others. The initial waste is uniformly loaded around the periphery of the template installed in the cavity of the mold of the furnace, and then, after removing the template and introducing the pressed consumable electrode into the formed cavity, the waste is melted (see ed. Certificate No. 191012 class H 05 B, 1964).

Основной недостаток при изготовлении такого электрода состоит в необходимости использовать специальное сложное и дорогостоящее оборудование для изготовления дополнительного прессованного электрода. The main disadvantage in the manufacture of such an electrode is the need to use special complex and expensive equipment for the manufacture of an additional extruded electrode.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ изготовления расходуемого электрода из кусковых отходов титановых сплавов литейного производства, включающий сборку их в пакет соответствующих размеров. Куски сваривают один с другим прерывистым швом [2]. Известный способ позволяет использовать только крупнокусковые отходы. The closest in technical essence to the claimed method is a method of manufacturing a consumable electrode from lumpy waste of titanium alloys of foundry, including assembling them in a package of appropriate sizes. Pieces are welded one to another intermittent seam [2]. The known method allows the use of only lumpy waste.

Недостатками способа являются большая трудоемкость процесса, связанная с тщательной укладкой отдельных кусков шихты и ручной сваркой их друг с другом, невозможность использования относительно мелкой шихты. The disadvantages of the method are the great complexity of the process associated with the careful laying of individual pieces of the charge and manual welding them with each other, the inability to use a relatively small charge.

Задача изобретения состоит в упрощении и ускорении процесса, расширении диапазона размеров кусковых отходов при сохранении удовлетворительных прочностных характеристик изготавливаемого электрода, в возможности использования 100% отходов при изготовлении электродов. The objective of the invention is to simplify and accelerate the process, expanding the size range of lumpy waste while maintaining satisfactory strength characteristics of the manufactured electrode, the possibility of using 100% waste in the manufacture of electrodes.

Решение задачи состоит в том, что в способе изготовления расходуемого электрода из кусковых металлических отходов, включающем укладку кусковых металлических отходов в соответствующую конфигурации электрода форму и их сварку, согласно изобретению кусковые металлические отходы размещают в прилегающем к внутренней поверхности формы и выполненном из однородного с ними материала листовом шаблоне с торцевыми и плоскими темплетами, выполненными по внутреннему поперечному контуру шаблона и находящимися в непосредственном контакте с кусковыми металлическими отходами, а сварку осуществляют посредством электрического тока, который подводят к темплетам и пропускают через весь слой кусковых металлических отходов до их сплавления кусков в местах контакта при этом одновременно сверху прикладывают осевое усилие для перемещения кусков металлических отходов вниз по высоте шаблона по мере их оплавления. Для надежного сваривания кусковых отходов расплавляют не менее 10-15% от их общей массы. При этом листовой шаблон исключает приваривание кусков шихты к стенкам формы, придает изготовленному электроду дополнительную прочность и товарный внешний вид и облегчает извлечение готового электрода из формы. The solution to the problem lies in the fact that in the method of manufacturing a consumable electrode from lumpy metal waste, comprising stacking lumpy metal waste into a mold shape and welding them, according to the invention, lumpy metal waste is placed in a mold adjacent to the inner surface of the mold and made of a material homogeneous with them sheet template with end and flat templates made on the inner transverse contour of the template and in direct contact with cusco metal waste, and welding is carried out by means of an electric current, which is fed to the templates and passed through the entire layer of lumpy metal waste until the pieces are fused at the contact points, while at the same time an axial force is applied from above to move the pieces of metal waste down the template height as they are melted . For reliable welding of lumpy waste, at least 10-15% of their total mass is melted. In this case, the sheet template eliminates the welding of pieces of the charge to the walls of the mold, gives the manufactured electrode additional strength and marketable appearance and facilitates the removal of the finished electrode from the mold.

В качестве отходов могут использовать кусковые отходы титановых сплавов. As waste, lumpy waste of titanium alloys can be used.

Изобретение обладает новизной, что следует из сравнения с аналогами, изобретательским уровнем, т. к. явно не следует из существующего уровня техники и не вызывает технических затруднений при реализации в промышленности. The invention has novelty, which follows from a comparison with analogues, inventive step, because it clearly does not follow from the existing level of technology and does not cause technical difficulties when implemented in industry.

На чертеже изображено устройство для осуществления способа. The drawing shows a device for implementing the method.

При изготовлении расходуемого электрода кусковые отходы 1 титановых сплавов плотно укладывают по высоте листового шаблона 2, который размещают по внутренней поверхности водоохлаждаемой формы 3, установленной на основании 4. Для изготовления расходуемого электрода могут использоваться крупные (стояки), средние (прибылей и питатели отливок) и мелкие кусковые отходы (стружка, куски металла в виде корольков, и т.п.), образующиеся при производстве фасонного литья титановых сплавов. Отходы предварительно сортируют по размеру и подвергают механической и химической очистке от различных примесей. Данный способ изготовления расходуемого электрода позволяет значительно расширить диапазон размеров использующихся титановых отходов, максимальные размеры кусков шихты определяются размерами внутренней полости формы, минимальные размеры не ограничиваются. Шаблон выполнен из титанового листа и вместе с внутренней полостью формы соответствует размерам и форме изготовляемого электрода. Торцевые плоские темплеты 5 выполнены по внутреннему поперечному контуру шаблона и находятся в непосредственном контакте с шихтой. Одним торцевым темплетом изготовляемый электрод опирается на дно нижнего водоохлаждаемого съемного токоподвода 6. На другой торцевой темплет устанавливают верхний водоохлаждаемый съемный токоподвод 7. Токоподводы по диаметру электрически изолированы 8 от водоохлаждаемой формы. Электрический ток подводят через токоподводы к темплетам, т.е. непосредственно к торцевым участкам изготовляемого электрода. Таким образом сварку электрода осуществляют пропусканием электрического тока одновременно через весь слой кускового материала. In the manufacture of the consumable electrode, lumpy waste 1 of titanium alloys is tightly packed along the height of the sheet template 2, which is placed on the inner surface of the water-cooled form 3 installed on the base 4. Large (risers), medium (profits and casting feeders) can be used for the manufacture of the consumable electrode small lumpy wastes (shavings, pieces of metal in the form of kings, etc.) generated during the production of shaped castings of titanium alloys. Waste is pre-sorted by size and subjected to mechanical and chemical cleaning from various impurities. This method of manufacturing a consumable electrode allows you to significantly expand the size range of the used titanium waste, the maximum size of the pieces of the charge is determined by the size of the internal cavity of the form, the minimum size is not limited. The template is made of titanium sheet and together with the internal cavity of the form corresponds to the size and shape of the manufactured electrode. The end flat templates 5 are made along the inner transverse contour of the template and are in direct contact with the charge. The manufactured electrode rests on the bottom of the lower water-cooled removable current lead 6 with one end template. The upper water-cooled removable current lead 7 is installed on the other end template. The current leads are electrically isolated 8 in diameter from the water-cooled shape. Electric current is fed through the current leads to the templates, i.e. directly to the end sections of the manufactured electrode. Thus, welding of the electrode is carried out by passing an electric current simultaneously through the entire layer of bulk material.

Для создания надежного контакта внутри оплавляемого кускового материала к верхнему токоподводу прикладывают осевое усилие, перемещающее куски шихты вниз по высоте шаблона по мере их оплавления. To create a reliable contact inside the melted bulk material, an axial force is applied to the upper current lead, which moves the pieces of the charge down along the height of the template as they melt.

Перемещая вниз токоподвод из крайнего верхнего положения, осуществляют уплотнение кускового материала в водоохлаждаемой форме. Оплавление кусков по границам контакта между собой и уплотнение кусков шихты осуществляют в вакууме или атмосфере инертного газа. Сваренная шихта, т.е. готовый расходуемый электрод выталкивается верхним водоохлаждаемым токоподводом при одновременном опускании нижнего водоохлаждаемого токоподвода 5. Затем процесс повторяется. Moving down the current lead from the extreme upper position, the bulk material is compacted in a water-cooled form. The pieces are melted along the boundaries of contact with each other and the pieces of the mixture are densified in a vacuum or inert gas atmosphere. Welded charge, i.e. the finished consumable electrode is pushed out by the upper water-cooled current lead while lowering the lower water-cooled current lead 5. Then the process is repeated.

Такой способ позволяет получить достаточно однородный по плотности электрод с требуемым поперечным электропроводящим сечением и необходимой длины. This method allows to obtain a sufficiently uniform density electrode with the desired transverse conductive cross section and the required length.

Параметрами процесса изготовления электрода являются электрические режимы и продолжительность подачи напряжения на токоподводы, которые определяются в зависимости от размеров, формы, электро- и теплопроводных свойств материала кусковой шихты и электрических характеристик источников питания. The parameters of the electrode manufacturing process are the electrical modes and the duration of the voltage supply to the current leads, which are determined depending on the size, shape, electrical and heat-conducting properties of the lump charge material and the electrical characteristics of the power sources.

Для надежного сваривания кусков шихты необходимо расплавить не менее 10-15% от их общей массы. For reliable welding of the pieces of the mixture, it is necessary to melt at least 10-15% of their total mass.

Если расплавить меньше 10% от общей массы, то прочность соединения между собой кусков шихты может оказаться недостаточной для того, чтобы изготовленный электрод смог выдерживать свой собственный вес без разрушения в каком-либо поперечном сечении при нагревании в процессе последующего переплава его в дуговой печи. If less than 10% of the total mass is melted, then the strength of the connection between the pieces of the mixture may not be sufficient for the manufactured electrode to be able to maintain its own weight without breaking in any cross section when it is heated during the subsequent remelting in an arc furnace.

Если расплавить больше 15% от общей массы отходов в форме, то расход электроэнергии на изготовление электрода окажется чрезмерно большим и снизит экономическую эффективность процесса. If you melt more than 15% of the total mass of waste in the form, then the energy consumption for the manufacture of the electrode will be excessively large and reduce the economic efficiency of the process.

Таким образом, 10-15% расплавляемой массы отходов в форме являются оптимальными с точки зрения качества изготовленных электродов и экономичности реализации предложенного способа. Thus, 10-15% of the molten mass of waste in the form are optimal in terms of the quality of the manufactured electrodes and the cost-effectiveness of the proposed method.

При этом электропроводность полученного электрода по сравнению с электропроводностью литого электрода составит 15-25%. Соответственно этому можно принять максимальную силу тока в конце процесса равной 0,15-0,25 от силы тока для литого электрода того же поперечного сечения при заданном напряжении на торцах изготовляемого электрода. In this case, the electrical conductivity of the obtained electrode in comparison with the electrical conductivity of the cast electrode will be 15-25%. Accordingly, it is possible to take the maximum current strength at the end of the process equal to 0.15-0.25 of the current strength for a cast electrode of the same cross section at a given voltage at the ends of the electrode being manufactured.

Для изготовления расходуемого электрода, например, диаметром 360 мм и массой 250 кг из титановых сплавов при средней мощности установки 250 кВт время сваривания кусков составит около 200-280 с. Продолжительность пропускания тока через кусковую шихту можно легко определить (аналогично приведенному примеру) для электродов любых размеров и массы с учетом подводимой к шихте электрической мощности и теплофизических характеристик (теплоемкость, теплота плавления и т.п.) металла. For the manufacture of a consumable electrode, for example, with a diameter of 360 mm and a mass of 250 kg from titanium alloys with an average installation power of 250 kW, the welding time of the pieces will be about 200-280 s. The duration of the current passing through the lump charge can be easily determined (similar to the example given) for electrodes of any size and mass, taking into account the electrical power and thermal characteristics (heat capacity, heat of fusion, etc.) of the metal supplied to the charge.

Время пропускания электрического тока через слой кусковых отходов, как видно на приведенном примере, достаточно мало, что увеличивает производительность процесса изготовления электрода. The transmission time of the electric current through the layer of lumpy waste, as can be seen in the above example, is quite small, which increases the productivity of the electrode manufacturing process.

Упрощение процесса следует из применения несложного оборудования и простоты контроля и регулирования электрических режимов (напряжения, силы тока, электрического сопротивления). The simplification of the process follows from the use of simple equipment and the simplicity of control and regulation of electrical modes (voltage, current, electrical resistance).

Claims

1. A method of manufacturing a consumable electrode from lumpy metal waste, comprising stacking lumpy metal waste in an appropriate electrode configuration and welding, characterized in that the lumpy metal waste is placed in a sheet template with end faces made of a material uniform from them that is uniform with them flat templates, made along the inner transverse contour of the template and in direct contact with lumpy metal waste, and Ku is performed by an electric current which is fed to the platen and passes through the entire bed of lumpy metallic waste prior to fusion at the contact locations at the same time the axial force is applied from above to move the pieces of metal waste downward adjustment as they reflow template.

2. The method according to p. 1, characterized in that as lumpy metal waste using lumpy waste of titanium alloys.

3. The method according to claim 1, characterized in that at least 10 - 15% of the total mass of lumpy metal waste is melted for their strong welding.