RU2753847C1 - Method and device for production of metal ingot - Google Patents
Method and device for production of metal ingot Download PDFInfo
- Publication number
- RU2753847C1 RU2753847C1 RU2020133503A RU2020133503A RU2753847C1 RU 2753847 C1 RU2753847 C1 RU 2753847C1 RU 2020133503 A RU2020133503 A RU 2020133503A RU 2020133503 A RU2020133503 A RU 2020133503A RU 2753847 C1 RU2753847 C1 RU 2753847C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crucible
- melt
- metal
- ingot
- charge
- Prior art date
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 90
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 90
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 53
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 75
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims abstract description 61
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 45
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 45
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims description 15
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 7
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 abstract description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 29
- 239000000463 material Substances 0.000 description 27
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 22
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 21
- 230000008569 process Effects 0.000 description 18
- 230000009471 action Effects 0.000 description 13
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 11
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 10
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 10
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 8
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 5
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- 238000010313 vacuum arc remelting Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 238000009749 continuous casting Methods 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 238000013517 stratification Methods 0.000 description 2
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000010314 arc-melting process Methods 0.000 description 1
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000012768 molten material Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- -1 titanium Chemical class 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical group [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
- 238000004857 zone melting Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
- B22D27/02—Use of electric or magnetic effects
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
- C22B9/16—Remelting metals
- C22B9/22—Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для рафинирования любых металлов, включая тугоплавкие и химически активные, в том числе титана, и для производства из них металлических слитков.The present invention relates to the field of special electrometallurgy and can be used for the refining of any metals, including refractory and reactive metals, including titanium, and for the production of metal ingots from them.
Слиток технически чистого металла производится путем плавления сырья, в процессе которого от металла отделяются находящиеся в сырье примеси. Для получения слитка из титана или титанового сплава используется титановое сырье, такое как титановая губка или отходы. Примеры способов плавления металлического сырья (далее просто «сырья»), такого как титановое сырье, включают в себя процесс вакуумно-дугового переплава, процесс плазменно-дугового плавления и процесс электронно-лучевого (ЭЛ) плавления. Очень часто эти процессы выполняются последовательно, так как для переплава крупногабаритной стружки или других отходов производства более производительно использовать плазменно-дуговое плавление или вакуумно-дуговой переплав. В результате этих технологических операций получают слитки металла с большим количеством вредных примесей, являющихся причиной неоднородности структуры, и трещин, выявляемых в процессе дальнейшей переработки.An ingot of technically pure metal is produced by melting the raw material, during which the impurities in the raw material are separated from the metal. Titanium raw material such as titanium sponge or scrap is used to produce titanium or titanium alloy ingot. Examples of methods for melting metal raw materials (hereinafter simply “raw materials”) such as titanium raw materials include a vacuum arc remelting process, a plasma arc melting process, and an electron beam (EL) melting process. Very often, these processes are carried out sequentially, since it is more productive to use plasma-arc melting or vacuum-arc remelting for remelting large-sized chips or other production wastes. As a result of these technological operations, metal ingots with a large amount of harmful impurities are obtained, which are the cause of the heterogeneity of the structure, and cracks revealed in the process of further processing.
Наибольшую чистоту переплавляемого металла обеспечивает процесс ЭЛ плавления, при котором плавление осуществляется путем направления электронного луча на поверхность сырья в ЭЛ плавильной печи. Для того, чтобы предотвратить рассеяние энергии электронного луча, плавление сырья облучением электронным лучом выполняется в вакуумной камере. В процессе переплава в ЭЛ плавильной печи должна производиться очистка металла от примесей. Примеси происходят главным образом из сырья, и классифицируются на два вида, а именно, ВВП (включения высокой плотности) и ВНП (включения низкой плотности). ВВП представляет собой, например, примесь, в которой главным компонентом является вольфрам, и плотность ВВП больше плотности расплавленного титана. С другой стороны, ВНП представляет собой примесь, в которой главным компонентом является азотированный титан, а также другие химические соединения, первоначально загрязняющие сырье, или попадающие в него в процессе предварительной переработки. Чаще всего ВНП находится в пористом состоянии, и поэтому плотность ВНП меньше плотности расплавленного титана. Обычно переплав в ЭЛ плавильной печи производится в охлаждаемом водой медном тигле, на внутренней поверхности которого формируется отвержденный слой, представляющий собой расплавленный титан, затвердевший от соприкосновения с холодной поверхностью тигля. Этот отвержденный слой известен как «гарнисаж».The highest purity of the remelted metal is provided by the EL melting process, in which melting is carried out by directing an electron beam to the surface of the raw material in the EL melting furnace. In order to prevent the dissipation of the electron beam energy, the melting of the raw material by the electron beam irradiation is performed in a vacuum chamber. In the process of remelting in the EL melting furnace, the metal must be cleaned from impurities. Impurities originate mainly from raw materials, and are classified into two types, namely GDP (high density inclusions) and GNP (low density inclusions). The GDP is, for example, an impurity in which the main component is tungsten, and the density of the GDP is greater than that of molten titanium. On the other hand, GNP is an impurity in which the main component is nitrided titanium, as well as other chemical compounds that initially contaminate the raw material or get into it during preliminary processing. Most often, GNP is in a porous state, and therefore the density of GNP is less than the density of molten titanium. Usually, remelting in an EL melting furnace is performed in a water-cooled copper crucible, on the inner surface of which a solidified layer is formed, which is molten titanium, solidified from contact with the cold surface of the crucible. This cured layer is known as the "skull".
Поскольку ВВП имеют высокую относительную плотность, они оседают в расплавленном металле (расплавленном титане) в тигле и прилипают к поверхности гарнисажа, и тем самым улавливаются, следовательно, вероятность попадания ВВП в слиток становится низкой. С другой стороны, поскольку плотность ВНП меньше плотности расплавленного титана, основная часть ВНП всплывает на поверхность расплавленного металла внутри ванны. В то время как ВНП всплывают на поверхность расплавленного металла, азот диффундирует в расплавленный металл и растворяется в нем. Поскольку температура их растворения является высокой, то для повышения температуры расплава, необходимо длительное время пребывания расплавленного металла под действием ЭЛ излучения, что требует также повышенной мощности генераторов электронного луча и увеличенной площади сканирования расплавленной поверхности, для чего используются дополнительные ЭЛ генераторы. Другие ВНП для своего разложения также требуют дополнительных затрат времени под действием ЭЛ излучения, с тем чтобы продукты их распада успели выделиться и удалится из металла вакуумной системой.Since the GDPs have a high relative density, they settle in the molten metal (molten titanium) in the crucible and adhere to the surface of the skull, and thus are trapped, therefore, the likelihood of the GDP falling into the ingot becomes low. On the other hand, since the density of the GNP is less than that of molten titanium, the bulk of the GNP floats to the surface of the molten metal inside the bath. While GNP floats to the surface of the molten metal, nitrogen diffuses into the molten metal and dissolves in it. Since the temperature of their dissolution is high, to increase the temperature of the melt, a long residence time of the molten metal under the action of EL radiation is required, which also requires an increased power of the electron beam generators and an increased scanning area of the molten surface, for which additional EL generators are used. Other GNPs for their decomposition also require additional expenditures of time under the action of EL radiation, so that the products of their decay have time to be separated and removed from the metal by a vacuum system.
Известен способ производства металлического слитка путем использования ЭЛ печи, имеющей несколько ЭЛ генераторов, выполненных с возможностью управления положением облучения электронным лучом, и ванну с холодным подом, в которой происходит накопление расплавленного металла из металлического сырья в виде брусков, с торцов которых электронным лучом сплавляется металл, в виде капель, поступающих в ванну [US 2020164432 А1, 28.05.2020]. По мере повышения уровня жидкого металла в накопительной ванне, он через сливной носок вытекает в кристаллизатор и, нагреваясь дополнительно от луча другого ЭЛ генератора, растекается по всей поверхности уже готового слитка, и застывает по мере опускания вытягивающего механизма, принимая форму внутреннего объема кристаллизатора. Для того чтобы обеспечить более длительное воздействие электронного луча на верхний слой расплавленного металла, в котором сконцентрировано максимальное количество ВНП, и предотвратить попадание металла из этого слоя в кристаллизатор, применяется дополнительный ЭЛ генератор, луч которого совершает движения по запрограммированной траектории в непосредственной близости от сливного носка, создавая область с температурой, значительно превышающей температуру основного расплава. За счет этого с помощью температурного градиента создается на поверхности расплавленного металла конвекция Марангони, и в наружном слое расплавленного металла формируется обратный поток наружного слоя расплавленного металла от линии облучения дополнительного ЭЛ генератора в сторону, противоположную от сливного носка. Конвекция Марангони создается с помощью температурного градиента на поверхности расплавленного металла, и проявляется в течении расплава из более нагретой зоны в область с меньшей температурой поверхности расплава.There is a known method for the production of a metal ingot by using an EL furnace, which has several EL generators, made with the possibility of controlling the position of irradiation with an electron beam, and a cold hearth bath, in which there is an accumulation of molten metal from metal raw materials in the form of bars, from the ends of which the metal is alloyed with an electron beam , in the form of drops entering the bath [US 2020164432 A1, 28.05.2020]. As the level of liquid metal in the storage tank rises, it flows through the drain spout into the mold and, being heated additionally from the beam of another EL generator, spreads over the entire surface of the finished ingot, and solidifies as the pulling mechanism goes down, taking the form of the internal volume of the mold. In order to ensure a longer exposure of the electron beam to the upper layer of molten metal, in which the maximum amount of VNP is concentrated, and to prevent the ingress of metal from this layer into the mold, an additional EL generator is used, the beam of which moves along a programmed trajectory in the immediate vicinity of the drain spout. , creating a region with a temperature significantly higher than the temperature of the main melt. Due to this, with the help of a temperature gradient, Marangoni convection is created on the surface of the molten metal, and in the outer layer of the molten metal, a reverse flow of the outer layer of molten metal is formed from the irradiation line of the additional EL generator in the direction opposite to the spout. Marangoni convection is created using a temperature gradient on the surface of the molten metal, and manifests itself in the flow of the melt from a hotter zone to an area with a lower temperature of the melt surface.
Недостатком этого способа производства металлического слитка является необходимость в большом количестве ЭЛ генераторов, каждый из которых выполняет свою функцию: расплава сырья для подачи расплавленного металла по каплям в накопительную ванну, постоянное сканирование поверхности накопительной ванны для поддержания требуемой температуры расплава, сканирование области возле сливного носка для создания конвекции Марангони, и нагрев верхней области расплава в кристаллизаторе. Совмещение вышеперечисленных операций для их одновременного выполнения на меньшем количестве ЭЛ генераторов, за счет расширения их зон сканирования ведет к значительному снижению производительности и качества получаемого конечного изделия. Непрерывный процесс производства слитка требует строгой синхронности и взаимосвязи в работе всех ЭЛ генераторов, так как объем вытекающего металла из накопительной ванны соответствует объему поступающего в нее сырья, и в случае изменения его качества, возможны ситуации, при которых из-за повышенного содержания в сырье ВВП и ВНП, часть этих включений не полностью будет задержана, и попадет в слиток. Поэтому при этом способе производства необходимо использовать сырье в виде прошедших предварительную очистку слитков, сформированных на установках вакуумно-дугового или плазменно-дугового переплава, и имеющих однородную и стабильную структуру. Такая предварительная обработка сырья требует значительных затрат энергии, дополнительного оборудования и больших производственных площадей.The disadvantage of this method for the production of a metal ingot is the need for a large number of EL generators, each of which performs its own function: the melt of raw materials for supplying the molten metal drop by drop to the storage tank, constant scanning of the storage tank surface to maintain the required melt temperature, scanning the area near the drain spout for creating Marangoni convection, and heating the upper region of the melt in the mold. The combination of the above operations for their simultaneous execution on a smaller number of EL generators, due to the expansion of their scanning areas, leads to a significant decrease in the productivity and quality of the final product obtained. The continuous process of ingot production requires strict synchronicity and interconnection in the operation of all EL generators, since the volume of metal flowing out from the storage tank corresponds to the volume of raw materials entering it, and in the event of a change in its quality, situations are possible in which, due to the increased content of GDP in the raw material, and GNP, some of these inclusions will not be completely detained, and will fall into the ingot. Therefore, with this method of production, it is necessary to use raw materials in the form of pre-refined ingots formed in vacuum arc or plasma arc remelting installations, and having a homogeneous and stable structure. This pre-processing of raw materials requires significant energy consumption, additional equipment and large production areas.
Известен способ ЭЛ переплава кускового металлического материала и устройство для его осуществления, включающее подачу кускового металлического материала в виде шихты, губки, порошка или гранул перемещаемого с определенной скоростью из шихтового бункера через питатель в охлаждаемый промежуточный тигель [RU 2087563 С1, 20.08.1997]. В тигле происходит рафинирование металла и образующийся жидкий металл каплями или (при достаточной мощности электронного луча) непрерывной струей стекает в скользящий охлаждаемый кристаллизатор, образуя слиток нужного размера. Способ реализуется с помощью устройства, которое содержит вакуумную плавильную камеру с тремя ЭЛ генераторами, один из которых плавит переплавляемый материал во вращающемся вокруг собственной оси питателе, в виде полого усеченного конуса, на внутренней поверхности которого происходит нагрев, плавление и предварительное испарение летучих компонентов материала, и из которого жидкий металл сливается в промежуточный охлаждаемый тигель.The known method of EL remelting of lump metal material and a device for its implementation, including the supply of lump metal material in the form of a charge, sponge, powder or granules moved at a certain speed from the charge hopper through the feeder into a cooled intermediate crucible [RU 2087563 C1, 20.08.1997]. In the crucible, the metal is refined and the resulting liquid metal drops or (with sufficient electron beam power) flows in a continuous stream into a sliding cooled crystallizer, forming an ingot of the required size. The method is implemented using a device that contains a vacuum melting chamber with three EL generators, one of which melts the remelted material in a feeder rotating around its own axis, in the form of a hollow truncated cone, on the inner surface of which heating, melting and preliminary evaporation of the volatile components of the material occurs, and from which the liquid metal is discharged into an intermediate cooled crucible.
Второй ЭЛ генератор производит сканирование всей верхней поверхности промежуточного тигля, производя нагрев металла до температуры выше точки плавления, при этом ВВП оседают на дно, застывая на охлаждаемом гарнисаже тигля и застревая на выступе его дна, а ВНП всплывают в зону высоких температур, где происходит их разложение. Расплавленный металл самотеком перемещается по промежуточному тиглю, постепенно очищаясь и сливается в охлаждаемый кристаллизатор, где под действием сканирующего излучения третьего ЭЛ генератора создана постоянная зона расплава, обеспечивающая однородность структуры получаемого слитка.The second EL generator scans the entire upper surface of the intermediate crucible, heating the metal to a temperature above the melting point, while the GDP settles to the bottom, freezing on the cooled crucible skull and getting stuck on the ledge of its bottom, and the VNP float to the high temperature zone, where they occur. decomposition. The molten metal moves by gravity through the intermediate crucible, gradually being cleaned and poured into a cooled mold, where a constant melt zone is created under the action of the scanning radiation of the third EL generator, which ensures the uniformity of the structure of the resulting ingot.
Недостатком вышеописанного способа является сложность конструкции вращающегося конического питателя, и необходимость постоянного контроля мощности ЭЛ излучения в зонах нагрева и плавления питателя, при несоблюдении которого материал начинает интенсивно разбрызгиваться и стекать с наклонной поверхности питателя, в результате чего отдельные не расплавившиеся куски материала попадают на поверхность жидкого металла в промежуточном тигле и резко изменяют уровень расплава в нем, что ведет к попаданию не успевших разложится ВНП в кристаллизатор, и к неоднородности структуры получаемого слитка. К недостаткам данного метода можно отнести так же сложности непрерывного процесса литья, при котором требуется строгая синхронность и взаимосвязь в работе всех ЭЛ генераторов, так как объем металла, вытекающего из накопительной ванны пропорционален объему расплавленного сырья, поступающего в нее из питателя.The disadvantage of the above method is the complexity of the design of the rotating conical feeder, and the need for constant control of the EL radiation power in the heating and melting zones of the feeder, if not observed, the material begins to intensively spray and drain from the inclined surface of the feeder, as a result of which individual non-melted pieces of material fall on the surface of the liquid metal in the intermediate crucible and sharply change the level of the melt in it, which leads to the ingress of the VNP that did not have time to decompose into the mold, and to the inhomogeneity of the structure of the resulting ingot. The disadvantages of this method can also be attributed to the complexity of the continuous casting process, which requires strict synchronization and interconnection in the operation of all EL generators, since the volume of metal flowing out of the storage tank is proportional to the volume of molten raw material entering it from the feeder.
Известен также способ зонной плавки металлов, включающий загрузку металлической шихты и ее последовательное плавление электронным лучом или плазмой путем сканирования поверхности с образованием рафинированного от легких и тяжелых примесей расплава металла, рафинированные порции которого периодически сливают в нижний кристаллизатор для формирования слитка, при этом загрузку металлической шихты и ее последовательное плавление электронным лучом или плазмой осуществляют в верхнем кристаллизаторе, выполненном с вертикальным пазом, в который перед загрузкой металлической шихты устанавливают пластину из очищенного от примесей переплавляемого металла, которая перекрывает этот вертикальный паз [RU 2489506 С2, 10.08.2013].There is also known a method of zone melting of metals, including loading a metal charge and its successive melting with an electron beam or plasma by scanning the surface with the formation of refined metal melt from light and heavy impurities, refined portions of which are periodically poured into the lower crystallizer to form an ingot, while loading the metal charge and its successive melting by an electron beam or plasma is carried out in the upper mold made with a vertical slot, into which, before loading the metal charge, a plate of remelted metal cleaned of impurities is installed, which overlaps this vertical slot [RU 2489506 C2, 08/10/2013].
Электронным лучом или плазмой проплавляют паз в упомянутой пластине на глубину меньше глубины наплавляемой ванны расплава на 20÷30% и сливают рафинированную порцию расплава металла в нижний кристаллизатор для формирования слитка, с оставлением на дне верхнего кристаллизатора расплава металла, содержащего тяжелые примеси. В верхнем кристаллизаторе осуществляют плавление шихты электронным лучом или плазмой путем периодического сканирования ее поверхности с образованием рафинированного от легких и тяжелых примесей расплава металла, используют одновременно отдельные электронно-лучевые пушки или плазматроны на каждой стадии плавления, проплавления пластины и подогрева расплава металла в нижнем кристаллизаторе. Этот метод отличается от описанных выше тем, что сырье в виде шихты загружается сразу в полном объеме в верхний кристаллизатор, а также периодичностью процесса рафинирования, что позволяет вести обработку верхнего слоя сырья излучением одного или нескольких ЭЛ генераторов вплоть до полного удаление ВНП из этого слоя, после чего проплавив на глубину этого слоя закрывающую паз пластину, очищенный металл сливается в нижний кристаллизатор, и этот цикл процесса обработки повторяется для следующего верхнего слоя материала.An electron beam or plasma is used to melt a groove in the said plate to a depth less than the depth of the melt pool being deposited by 20-30%, and the refined portion of the metal melt is poured into the lower mold to form an ingot, leaving the metal melt containing heavy impurities at the bottom of the upper mold. In the upper crystallizer, the charge is melted with an electron beam or plasma by periodic scanning of its surface with the formation of a metal melt refined from light and heavy impurities, separate electron-beam guns or plasmatrons are used simultaneously at each stage of melting, plate melting and heating of the metal melt in the lower crystallizer. This method differs from those described above in that the raw material in the form of a charge is loaded immediately in full into the upper crystallizer, as well as the frequency of the refining process, which makes it possible to process the upper layer of the raw material by radiation from one or several EL generators up to the complete removal of VNP from this layer. after that, having melted the plate covering the groove to the depth of this layer, the cleaned metal is poured into the lower mold, and this cycle of the processing process is repeated for the next upper layer of material.
Недостатком этого способа является необходимость предварительного полного расплава всего объема пористого и кускового шихтового сырья, необходимого для производства слитка определенного размера, так как под действием излучения ЭЛ генераторов плавится только поверхностный слой шихты, и расплав сразу же стекает на дно верхнего кристаллизатора. Процесс рафинирования может начаться только после получения жидкого, или в последствии затвердевшего всего объема материала в верхнем кристаллизаторе, так как, только в этом случае возможна обработка верхнего слоя материала в этом объеме. Для сокращения времени предварительной подготовки в этом методе предполагается использование до четырех ЭЛ генераторов, одновременная работа которых обеспечивает расплавление такого большого объема шихты по всей глубине вплоть до дна медного охлаждаемого корпуса верхнего кристаллизатора. Недостаткам этого метода является также низкая степень очистки от ВВП, так как его осаждение из общего объема загруженного сырья происходит только во время краткосрочного периода полного расплавления всего объема материала, во время образования гарнисажа на внутренних поверхностях охлаждаемого верхнего кристаллизатора. При последующей послойной обработке уже застывшего материала и рафинировании верхнего слоя от ВНП, более тяжелые ВВП, оставшиеся в материале после предварительного расплава всего объема, накапливаются на дне этого расплавленного слоя, и концентрация ВВП в расплаве возрастает от слоя к слою. Такое постоянное повышение концентрации ВВП неизбежно ведет к его попаданию в нижний кристаллизатор, следовательно, в получаемом слитке будет содержаться значительное количество нежелательных химических элементов, составляющих состав ВВП, причем это содержание будет неравномерным по длине производимого слитка. Недостаткам этого способа является также большие материальные и энергетические затраты на дополнительные ЭЛ генераторы, и их интенсивную длительную работу на расплавление большого по глубине и объему всего предварительно загруженного шихтового материала, так как энергия электронного луча действует в основном на поверхность материала. Недостатком этого способа является также ограничение объема готового слитка, который определяется объемом верхнего кристаллизатора, при этом дальнейшее увеличение объема слитка возможно только после очистки верхнего кристаллизатора от гарнисажа с захваченными включениями высокой плотности и установки в его паз новой пластины из очищенного металла.The disadvantage of this method is the need for preliminary complete melting of the entire volume of porous and lumpy charge raw materials required for the production of an ingot of a certain size, since only the surface layer of the charge melts under the influence of radiation from EL generators, and the melt immediately flows to the bottom of the upper crystallizer. The refining process can begin only after receiving a liquid, or subsequently solidified the entire volume of material in the upper crystallizer, since only in this case it is possible to process the upper layer of material in this volume. To reduce the time of preliminary preparation in this method, it is supposed to use up to four EL generators, the simultaneous operation of which ensures the melting of such a large volume of the charge along the entire depth down to the bottom of the cooled copper body of the upper crystallizer. The disadvantages of this method is also a low degree of purification from GDP, since its deposition from the total volume of the loaded raw material occurs only during a short period of complete melting of the entire volume of the material, during the formation of a skull on the inner surfaces of the cooled upper crystallizer. During the subsequent layer-by-layer processing of the already solidified material and the refining of the upper layer from the GNP, the heavier GDPs remaining in the material after the preliminary melting of the entire volume accumulate at the bottom of this molten layer, and the concentration of GDP in the melt increases from layer to layer. Such a constant increase in the concentration of GDP inevitably leads to its entering the lower mold, therefore, the resulting ingot will contain a significant amount of undesirable chemical elements that make up the composition of the GDP, and this content will be uneven along the length of the produced ingot. The disadvantages of this method are also large material and energy costs for additional EL generators, and their intensive long-term work to melt the entire pre-loaded charge material, which is large in depth and volume, since the energy of the electron beam acts mainly on the surface of the material. The disadvantage of this method is also the limitation of the volume of the finished ingot, which is determined by the volume of the upper mold, while a further increase in the volume of the ingot is possible only after cleaning the upper mold from the skull with captured high-density inclusions and installing a new plate of refined metal in its groove.
Известен способ непрерывного удаления примесей из потока расплавленного металла с помощью устройства, включающего корпус канала потока расплавленного металла с размещенным в нем электродом на входной стороне и электродом на выходной стороне, обращенными друг к другу в продольном направлении и находящимися в электрическом контакте с расплавленным металлом, и устройство магнитного поля, состоящее из пары постоянных магнитов, которые расположены снаружи корпуса канала потока расплавленного металла, и обращены друг к другу в направлении ширины, пересекающем продольное направление потока металла и текущего в нем электрического тока, возникающего между электродами [US 2020261970 А1, 20.08.2020]. Два электрода, подключенные к источнику постоянного тока, и устройство постоянного магнитного поля составляют поджимающее устройство, которое может прикладывать силу Лоренца вниз к расплавленному металлу, в пространстве корпуса канала потока расплавленного металла, чтобы увеличить плотность расплавленного металла и заставить примеси, имеющие более низкую плотность в нем, подниматься к поверхности расплавленного металла, для постоянного удаления. Очищенный металл в этом процессе поджимается к дну корпуса канала потока расплавленного металла, и перетекает под электродом на выходной стороне в полость корпуса канала, находящуюся между этим электродом и закрытой концевой пластиной на выпускной стороне. Так как в этой полости не действует сила Лоренца, то уровень расплавленного металла в нее выше, чем в основном канале, и расплавленный металл, очищенный от примесей ВНП, стекает по желобу в предварительно подготовленную литейную форму.There is known a method of continuous removal of impurities from a molten metal stream using a device comprising a molten metal flow channel body with an electrode located therein on the inlet side and an electrode on the outlet side facing each other in the longitudinal direction and in electrical contact with the molten metal, and a magnetic field device consisting of a pair of permanent magnets, which are located outside the body of the molten metal flow channel, and face each other in the width direction intersecting the longitudinal direction of the metal flow and the electric current flowing in it, arising between the electrodes [US 2020261970 A1, 20.08. 2020]. Two electrodes connected to a constant current source and a constant magnetic field device constitute a biasing device that can apply a Lorentz force downwardly to the molten metal, in the molten metal flow channel body space, to increase the density of the molten metal and force impurities having a lower density into it, rise to the surface of the molten metal for permanent removal. In this process, the cleaned metal is pressed against the bottom of the molten metal flow channel body, and flows under the electrode on the outlet side into the cavity of the channel body located between this electrode and the closed end plate on the outlet side. Since the Lorentz force does not act in this cavity, the level of the molten metal in it is higher than in the main channel, and the molten metal, cleaned of VNP impurities, flows down the chute into a previously prepared casting mold.
Этот способ непрерывного удаления примесей из расплавленного металла невозможно применить для переплава материала в охлаждаемых тиглях, где на дне и стенках образуется гарнисаж, препятствующий свободному перетеканию расплава по дну тигля, так как процесс удаления примесей прервется, как только толщина гарнисажа на дне тигля перекроет просвет под электродом на выходной стороне корпуса канала потока. Такой процесс удаления примесей реализуется только при непрерывном процессе литья, с использованием таких материалов корпуса канала потока расплавленного металла, температура плавления которых значительно превышает температуру расплава очищаемого металла. Использование таких материалов корпуса канала потока расплавленного металла, в том числе керамических, также может привести к дополнительному загрязнению расплавленного металла нежелательными включениями. Недостаткам данного способа непрерывного удаления примесей является также невозможность очищения металла от более плотных включений, так как ВВП вместе с основным металлом будут перетекать по дну тигля в зону очищенного металла, и потом попадать в литейную форму.This method of continuous removal of impurities from molten metal cannot be used to remelt material in cooled crucibles, where a skull is formed at the bottom and walls, which prevents the free flow of the melt along the bottom of the crucible, since the process of removing impurities is interrupted as soon as the thickness of the skull at the bottom of the crucible blocks the gap under electrode on the outlet side of the flow channel body. Such a process of removing impurities is realized only in a continuous casting process, using such materials for the body of the molten metal flow channel, the melting temperature of which significantly exceeds the temperature of the melt of the metal being cleaned. The use of such materials for the molten metal flow channel body, including ceramic, can also lead to additional contamination of the molten metal with unwanted inclusions. The disadvantages of this method of continuous removal of impurities is also the impossibility of cleaning the metal from denser inclusions, since the GDP, together with the base metal, will flow along the bottom of the crucible into the zone of the refined metal, and then fall into the casting mold.
Известно также устройство для плавки в вакууме тугоплавких и химически активных металлов, содержащее камеру плавления, охлаждаемый тигель для плавления металлической шихты и очистки от тяжелых и легких примесей получаемого расплава, механизм наклона тигля, ЭЛ генераторы, расположенные под разными углами по отношению к оси корпуса плавильной камеры, и кристаллизатор для формирования слитка (прототип) [RU 2660784 С2, 09.07.2018].It is also known a device for vacuum melting of refractory and reactive metals, containing a melting chamber, a cooled crucible for melting a metal charge and cleaning the resulting melt from heavy and light impurities, a crucible tilt mechanism, EL generators located at different angles with respect to the axis of the melting body chambers, and a mold for forming an ingot (prototype) [RU 2660784 C2, 09.07.2018].
Это устройство выбрано в качестве прототипа, так как тигель в конструкции его камеры плавления совмещает в себе функции контейнера для загружаемой шихты и промежуточной емкости для расплава и рафинирования материала, кроме того этот тигель имеет возможность наклона в пространстве, и может совершать попеременные наклоны вдоль или поперек плоскости ванны для перемешивания расплава, и после перемешанный расплав может сливаться в кристаллизатор за счет наклона тигля.This device was chosen as a prototype, since the crucible in the design of its melting chamber combines the functions of a container for a loaded charge and an intermediate container for melting and refining the material, in addition, this crucible has the ability to tilt in space, and can make alternating tilts along or across the plane of the bath for mixing the melt, and then the mixed melt can be poured into the crystallizer by tilting the crucible.
Недостатком конструкции этого устройства является отсутствие его универсальности, так как оно предназначено в основном для производства слитков специфической формы, как следует из описания устройства, для формирования плиты или листа, или для формирования круглых или полукруглых электродов для последующей очистки процессами вакуумно-дугового или плазменно-дугового плавления. Недостатком этого устройства является также то, что интенсивное перемешивание расплава, как при плавке в тигле, так и при охлаждении в кристаллизаторе слитка, за счет наклонов тигля и кристаллизатора, не позволяет осуществить эффективное удаление всех посторонних и нежелательных включений в основной материал с помощью ЭЛ обработки поверхности расплава, и все ВНП и ВВП равномерно распределяются по объему слитка, ухудшая качество его структуры. Это устройство имеет те же ограничения в объеме получаемого слитка, что и в устройстве [RU 2489506 С2, 10.08.2013], так как объем слитка определяется емкостью тигля, в который сразу полностью загружается все необходимое количество шихты, а большие объемы шихты требуют значительных затрат энергии на ее расплав и поддержание его высокой температуры, кроме того качественно очистить такие большие объемы от посторонних включений невозможно, так как удаление включений происходит только в верхнем слое.The disadvantage of the design of this device is the lack of its versatility, since it is intended mainly for the production of ingots of a specific shape, as follows from the description of the device, for the formation of a plate or sheet, or for the formation of round or semicircular electrodes for subsequent cleaning by vacuum arc or plasma processes. arc melting. The disadvantage of this device is that intensive mixing of the melt, both during melting in a crucible and during cooling in the ingot mold, due to the tilts of the crucible and the mold, does not allow effective removal of all extraneous and unwanted inclusions in the base material using EL processing. the surface of the melt, and all GNP and GDP are evenly distributed over the volume of the ingot, deteriorating the quality of its structure. This device has the same limitations in the volume of the obtained ingot as in the device [RU 2489506 C2, 08/10/2013], since the volume of the ingot is determined by the capacity of the crucible, into which all the required amount of charge is immediately loaded completely, and large volumes of charge require significant costs energy for its melt and maintaining its high temperature, in addition, it is impossible to qualitatively clean such large volumes from foreign inclusions, since the removal of inclusions occurs only in the upper layer.
Общим недостатком всех вышеперечисленных устройств рафинирования расплавленной шихты, особенно при ее сильном загрязнении посторонними включениями, является то, что для эффективного удаления ВНП из поверхностного слоя расплава требуется значительные затраты мощности ЭЛ генераторов и продолжительное время, что значительно увеличивает длительность производственного цикла и снижает производительность, кроме того шихта может содержать такие включения низкой плотности, которые невозможно удалить даже в процессе длительного сканирования поверхности расплава электронным лучом.A common disadvantage of all the above devices for refining the molten charge, especially when it is severely contaminated with foreign inclusions, is that for the effective removal of VNP from the surface layer of the melt, significant power consumption of EL generators and a long time are required, which significantly increases the duration of the production cycle and reduces productivity, except Moreover, the charge may contain inclusions of low density that cannot be removed even during prolonged scanning of the melt surface with an electron beam.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности очистки металлического материала получаемого слитка от посторонних включений, как высокой, так и низкой плотности, а также сокращение энергетических затрат, длительности производственного цикла, увеличение производительности и уменьшение занимаемых производственных площадей.The objective of the present invention is to improve the efficiency of cleaning the metal material of the resulting ingot from foreign inclusions, both high and low density, as well as to reduce energy costs, the duration of the production cycle, increase productivity and reduce the occupied production area.
Поставленная задача достигается тем, что способ производства металлического слитка, включающий загрузку в тигель металлической шихты, плавление ее излучением электронно-лучевых генераторов путем сканирования поверхности, обработка расплава металла встроенной системой периодического создания сил Лоренца, слив рафинированного расплава в кристаллизатор для формирования слитка, отличается тем, что после обработки расплава металла встроенной системой периодического создания сил Лоренца, верхний наиболее загрязненный слой расплава сливается из тигля за счет его наклона в сторону емкости для сбора расплава с большой концентрацией включений низкой плотности, после чего тигель возвращается в исходное положение, производится рафинирование оставшегося расплава электронно-лучевыми генераторами с параллельной обработкой расплава металла встроенной системой периодического создания сил Лоренца, по окончании рафинирования происходит слив расплава в кристаллизатор за счет наклон тигля в его сторону.The task is achieved by the fact that the method for the production of a metal ingot, including loading a metal charge into a crucible, melting it by radiation from electron-beam generators by scanning the surface, processing the metal melt with a built-in system for periodically generating Lorentz forces, draining the refined melt into a crystallizer to form an ingot, differs in that that after the processing of the metal melt with the built-in system of periodic creation of Lorentz forces, the upper most contaminated layer of the melt is drained from the crucible due to its inclination towards the vessel for collecting the melt with a high concentration of low-density inclusions, after which the crucible returns to its original position, the remaining melt is refined electron-beam generators with parallel processing of the metal melt with a built-in system for the periodic creation of Lorentz forces, after the refining is completed, the melt is drained into the crystallizer due to the tilt of the crucible in its direction.
Предлагаемый способ производства слитка реализуется за счет того, что устройство для производства металлического слитка содержащее вакуумную камеру плавления, устройство подачи шихты в тигель, электронно-лучевые генераторы, охлаждаемый тигель с встроенной системой периодического создания сил Лоренца в расплаве, кристаллизатор, устройство вытяжки слитка, отличается тем, что содержит двухзвенную платформу, на которой закреплен тигель, с двумя взаимно перпендикулярными осями наклона и приводами, один из которых предназначен для наклона тигля в сторону емкости для сбора расплава с большой концентрацией включений низкой плотности, а другой - в сторону кристаллизатора.The proposed method for the production of an ingot is realized due to the fact that a device for the production of a metal ingot containing a vacuum melting chamber, a device for feeding a charge into a crucible, electron-beam generators, a cooled crucible with a built-in system for the periodic creation of Lorentz forces in the melt, a crystallizer, a device for drawing an ingot, differs in that it contains a two-link platform on which the crucible is fixed, with two mutually perpendicular tilt axes and drives, one of which is designed to tilt the crucible towards the vessel for collecting the melt with a high concentration of low-density inclusions, and the other towards the crystallizer.
Предложенный способ осуществляется с помощью устройства, изображенного на фиг. 1.The proposed method is carried out using the device shown in FIG. 1.
На фиг. 2 изображен его вид в сечении А-А.FIG. 2 shows its view in section AA.
На фиг. 3 изображен вид в сечении Б-Б тигля.FIG. 3 shows a view in section BB of the crucible.
На фиг. 4 схема взаимных направлений тока (I), магнитного поля (В) и силы Лоренца (F).FIG. 4 diagram of the mutual directions of current (I), magnetic field (B) and Lorentz force (F).
В корпусе вакуумной камеры плавления 1 (фиг. 1) расположен охлаждаемый тигель 2 и кристаллизатор 3, а на верхней стенке камеры установлены ЭЛ генераторы 4 и 4а. Тигель 2 закреплен на двухзвенной платформе 5, звено 6, которым с помощью привода 6а совершается наклон вокруг оси 66 в сторону кристаллизатора 3, а с помощью привода 7а, наклоняющего звено 7 вокруг оси 76 (фиг. 2), совершается наклон также и звена 6, и закрепленного на ней тигля 2, в сторону емкости 8 для сбора расплава с большой концентрацией ВНП. Звено 6 с приводом 6а и звено 7 с приводом 7а составляют двухзвенную платформу 5 с двумя взаимно перпендикулярными осями поворота 66 и 76. В кристаллизаторе 3 в процессе работы устройства постепенно создается слиток 9, извлекаемый из кристаллизатора устройством 10 вытяжки слитка. С наружной стороны корпуса тигля 2, на его противоположных стенках закреплено устройство магнитного поля, состоящее из постоянного магнита, или нескольких постоянных магнитов, или электромагнита с противоположными полюсами 11 и 12, обращенными друг к другу. На перпендикулярных к ним стенках тигля 2, с их внутренней стороны крепится электродное устройство, состоящее из электрода 13 на стороне ближней к кристаллизатору, и электрода 14 на противоположной стороне. Устройство магнитного поля и электродное устройство в совокупности при взаимодействии являются встроенной системой периодического создания сил Лоренца. В задней части вакуумной камеры 1 находится устройство подачи шихты в виде бункера 15, в который засыпается шихта 16, которая с помощью дозатора 17, в виде порции шихты 18 подается на транспортер 19, который с помощью выдвижного механизма 20 при загрузке располагается над тиглем 2, и сбрасывает в него отмеренную порцию шихты 18, после чего возвращается в исходное положение. В тигле 2 порция шихты 18 под действием электронных лучей в секторе 21 сканирования ЭЛ генератора 4 и электронных лучей в секторе 22 сканирования ЭЛ генератора 4а нагревается и превращается в расплав 23. После обработки расплава встроенной системой периодического создания сил Лоренца, и всплытии под действием этих сил включений низкой плотности, верхний слой расплава сливается с помощью наклона тигля вокруг оси 76 приводом 7а в емкость 8, где образует слиток 24 загрязненного металла. После этого тигель 2 возвращается в исходное положение и производится рафинирование оставшегося расплава 23 сканирующими лучами в секторах 21 и 22, полностью исключающее наличие остатков ВНП в расплаве 23. По окончании рафинирования под действием привода 6а тигель 2 наклоняется вокруг оси 66 и расплав постепенно переливается в кристаллизатор 3, образуя в нем ванну расплава 25, подогреваемую сканирующими лучами ЭЛ генератора 4а в секторе сканирования 26. Устройство работает следующим образом.In the body of the vacuum melting chamber 1 (Fig. 1) there is a cooled
Перед началом работы устройства в бункер 15 загружается шихта 16 в виде обломков губки, стружки, порошка или гранул в объеме, превышающем необходимый для производства заданного по габаритам слитка. Устройство вытяжки слитка 10 находится в крайнем верхнем положении и образует герметичное дно кристаллизатора 3. Тигель 2 находится в горизонтальном положении. В корпусе вакуумной камеры плавления 1 создается вакуум.Before starting the operation of the device, the
С помощью дозатора 17 из бункера 15 часть шихты, в количестве, необходимом для однократной загрузки тигля высыпается на транспортер 19, который механизмом 20 перемещается горизонтально в положение над тиглем 2, далее приводом ленты транспортера 19 порция шихты 18 высыпается в бункер, после чего механизм 20 возвращает транспортер 19 в исходное состояние. Включаются ЭЛ генератор 4 сканирующий шихту в тигле в секторе 21 и ЭЛ генератор 4а, сканирующий шихту в секторе 22. Совместная работа двух ЭЛ генераторов на максимальной мощности производит расплавление шихты, при этом расплав 23 соприкасаясь с охлаждаемыми стенками тигля 2 образует слой гарнисажа, в состав которого входит наибольшая концентрация ВВП, так как эти включения оседают в нижние слои расплава. Длительная выдержка расплава приводит к его расслоению, которое можно ускорить за счет пропускания постоянного тока между электродом 13 (отрицательный), и электродом 14 (положительный). Постоянный ток проходя через расплав взаимодействует с магнитным полем, образуемым магнитными полюсами 11 и 12, как это показано на фиг. 3, при этом на каждую частицу расплава действуют силы Лоренца, как это изображено на фиг. 4. В соответствии с изображенной на фиг. 3 и фиг. 4 полярностью полюсов магнита и полярностью электродов, силы Лоренца действуют вниз, в сторону дна тигля, увеличивая плотность основного металла расплава, так как к силам тяжести, действующим на каждую частицу расплава, добавляется сила Лоренца. Увеличение плотности расплавленного металла заставляет быстрее и эффективнее всплывать ВНП, в большой концентрации скапливающиеся в верхнем слое расплава, который продолжает находиться под действием излучения ЭЛ генераторов 4 и 4а. Часть этих ВНП начинает разлагаться под действием ЭЛ излучения, но некоторые ВНП устойчивы к ЭЛ излучению, или требуют длительного его воздействия. Для того, чтобы не допустить попадания такого типа ВНП в материал слитка, целесообразно слой с повышенной концентрацией содержания таких ВНП вообще удалить из тигля, с тем, чтобы произвести очистку этого сильно загрязненного материала отдельно, вне цикла создания данного слитка. Для этого в установке предусмотрен наклон тигля 2 вокруг оси 76 с помощью привода 7а на угол, достаточный для того, чтобы слой наиболее загрязненного расплава вылился в емкость 8 для сбора материала с большой концентрацией ВНП. Величина этого угла определяется опытным путем для каждого типа и партии шихты, имеющей различную степень загрязнения. Время включения постоянного тока и его величина также устанавливается опытным путем для каждого типа и партии шихты, исходя из критерия эффективности всплытия ВНП. По истечении этого времени ток отключается, отключается также излучение ЭЛ генераторов, и производится слив загрязненного верхнего слоя расплава. По окончанию слива, тигель возвращается в исходное горизонтальное положение, и вновь включается ток между электродами 13 и 14, включаются также оба ЭЛ генератора в режиме оптимального воздействия на ВНП, при этом производится преобразование остатков ВНП, длительность которого намного меньше, чем было необходимо для обработки первоначального слоя с большой концентрацией ВНП, и эта длительность также определяется опытным путем, для каждого типа и партии шихты, имеющей различную степень загрязнения.With the help of the
Что касается примесей высокой плотности, то при включении тока между электродами 13 и 14, все токопроводящие ВВП также увеличивают свою плотность, опускаясь на дно тигля, они прилипают к гарнисажу, и задерживаются на его поверхности. Если в составе материала шихты присутствовали непроводящие ток ВВП, то их опускание в более плотном при пропускании тока, основном металле затрудняется. Для того, чтобы избежать их попадание в отливаемый слиток, после завершения обработки поверхностного слоя расплава, необходимо поменять полярность на электродах 13 и 14, при этом силы Лоренца действуют в противоположном направлении, следовательно, плотность всех токопроводящих составляющих расплава уменьшается, а непроводящие ток ВВП, сохранившие высокую плотность интенсивно оседают на дно и переходят в состав гарнисажа. Для сильно загрязненного материала, или при необходимости получения особо чистого по составу слитка, все циклы очистки расплава от ВНП и ВВП можно последовательно повторить несколько раз для одной загрузки тигля.As for high-density impurities, when the current is turned on between
По окончании цикла очистки отключается питание электродов, находящихся в тигле, и под действием привода 6а тигель 2 наклоняется вокруг оси 66 на угол, обеспечивающий поступление первой порции расплава в кристаллизатор 3, дно которого формирует устройство вытяжки слитка 10. Во время наклона тигля ЭЛ генератор 4 прекращает работу, а ЭЛ генератор 4а переключает диапазон своего сканирования в сектор 26, воздействуя на вылитый в кристаллизатор расплав, поддерживая его застывание в режиме, обеспечивающем необходимую кристаллическую структуру слитка. Тигель, после слива первой порции расплава в кристаллизатор, возвращается в горизонтальное положение, и включенный ЭЛ генератор 4 поддерживает в нем необходимую температуру расплава. Далее производится поступление в кристаллизатор следующей порции расплава, и этот цикл повторяется до завершения перелива всего заданного объема расплава в тигле. В зависимости от емкости тигля и внутренних габаритов кристаллизатора, слив всего объема расплава из тигля в кристаллизатор может быть выполнен за один раз. При этом самый нижний слой, содержащий наиболее высокую концентрацию ВВП, за счет регулировки угла наклона тигля, остается в тигле и при выключении разогрева лучами ЭЛ генератора 4 переходит в гарнисаж, остающийся на дне и стенках тигля.At the end of the cleaning cycle, the power to the electrodes in the crucible is turned off, and under the action of the drive 6a, the
По мере поступления расплава в кристаллизатор, в нем образуется слиток 9, нижняя часть которого соединена с устройством 10 вытяжки слитка, опускание которого каждый раз освобождает полость кристаллизатора, в которую поступает очередная порция расплава. По окончании обработки первой загрузки тигля полученное положение устройства вытяжки слитка фиксируется до нового цикла обработки следующей порции шихты в камере плавления.As the melt enters the mold, an
Следующий цикл плавления и очистки новой порции шихты повторяет все операции, описанные выше, начиная с поступления отмеренного количества шихты из бункера 15 на ленту транспортера 19, и заканчивая фиксацией устройства 10 вытяжки слитка в новом положении, соответствующем длине слитка, образованного после двух циклов плавления.The next cycle of melting and cleaning a new batch of the charge repeats all the operations described above, starting with the receipt of a measured amount of charge from the
Циклы плавления повторяются до достижения слитком требуемой длины, которая ограничивается только пространством, отведенным в вакуумной камере под получаемый слиток, и емкостью бункера для шихты. Работа всех элементов и механизмов в вакуумной камере плавления может быть синхронизирована и запрограммирована на стандартном контроллере ПЛК (программируемый логический контроллер), или на системе ЧПУ, в памяти которой могут быть сохранены базы данных значений всех временных интервалов и других параметров функционирования для каждой партии шихты в зависимости от состава первоначального сырья, что позволяет в дальнейшем быстро перенастраивать устройство при смене условий производства.Melting cycles are repeated until the ingot reaches the required length, which is limited only by the space allotted in the vacuum chamber for the resulting ingot and the capacity of the charge bin. The operation of all elements and mechanisms in the vacuum melting chamber can be synchronized and programmed on a standard PLC controller (programmable logic controller), or on a CNC system, in the memory of which databases of values of all time intervals and other operating parameters for each batch of charge can be stored. depending on the composition of the original raw material, which allows you to quickly reconfigure the device in the future when changing production conditions.
Особенности предлагаемого способа заключаются в следующем:Features of the proposed method are as follows:
- В отличие от большинства имеющихся способов рафинирования металлов, в предлагаемом способе имеется возможность максимального снижения концентрации нежелательных включений низкой плотности, которые вообще не поддаются разложению под действием лучей ЭЛ генераторов, так как такие включения просто механически удаляются из тигля, путем сливания содержащего их верхнего слоя расплава.- Unlike most of the existing methods for refining metals, the proposed method has the ability to maximize the concentration of undesirable low-density inclusions, which cannot be decomposed at all under the action of the rays of EL generators, since such inclusions are simply mechanically removed from the crucible by draining the upper layer containing them melt.
- В отличие от способов непрерывного процесса рафинирования, когда расплав в тигле постоянно перемещается за счет непрерывного капельного или струйного поступления материала в тигель, и из-за этого движения не всегда успевает полностью очиститься от примесей, в предлагаемом способе процесс очистки происходит порционно, и имеется возможность производить ЭЛ обработку столько времени, сколько требуется для данного материала, и данной степени его загрязнения включениями.- Unlike the methods of the continuous refining process, when the melt in the crucible is constantly moving due to the continuous drip or jet supply of material into the crucible, and because of this movement, it does not always have time to completely cleanse from impurities, in the proposed method the cleaning process occurs in portions, and there is the ability to carry out EL processing as long as it takes for a given material and a given degree of its contamination by inclusions.
- В отличие от процессов, требующих предварительной подготовки исходного материала технологиями вакуумно-дугового переплава или процессом плазменно-дугового плавления, перерабатываемая шихта по данному способу рафинирования может иметь широкий диапазон дисперсности, кроме того допустимо значительное загрязнение шихты посторонними включениями, которые обычно имеются в стружке после механической обработки.- Unlike processes that require preliminary preparation of the starting material by vacuum arc remelting technologies or plasma arc melting, the charge processed by this refining method can have a wide range of fineness, in addition, significant contamination of the charge by foreign inclusions, which are usually found in the chips after mechanical processing.
- Предлагаемый способ, это один из немногих способов рафинирования металлов, позволяющих достаточно быстро получить качественный по химическому составу слиток из значительно загрязненного исходного сырья, без дополнительных технологических операций и с минимальными затратами энергии. Те включения в материал, которые требуют значительных затрат энергии ЭЛ обработки на их удаление, удаляются механическим сливом верхнего слоя расплава, куда они выжимаются увеличенной плотностью основного расплавленного материала при воздействии на него сил Лоренца. Обработка уже предварительно очищенного верхнего слоя расплава требует гораздо меньше времени и значительно меньше энергии ЭЛ обработки, что обеспечивает увеличение производительности и снижение себестоимости производства слитка.- The proposed method is one of the few methods for refining metals that allow you to quickly get a high-quality in terms of chemical composition ingot from significantly contaminated feedstock, without additional technological operations and with minimal energy consumption. Those inclusions in the material, which require significant expenditures of EL processing energy for their removal, are removed by mechanical drainage of the upper layer of the melt, where they are squeezed out by the increased density of the main molten material under the action of Lorentz forces on it. The processing of the already pre-cleaned upper layer of the melt requires much less time and much less energy of EL processing, which provides an increase in productivity and a decrease in the cost of producing an ingot.
- Применение сил Лоренца позволяет также более качественно устранить более тяжелые ВВП, как проводящих ток, увеличивающих свой вес и оседающих на гарнисаже тигля при действии сил Лоренца вниз, так и не проводящих ток ВВП, которые при смене направления сил Лоренца более эффективно оседают в основном металле, плотность которого становится меньше, при действии сил Лоренца вверх.- The use of Lorentz forces also makes it possible to better eliminate heavier GDPs, both conducting current, increasing their weight and settling on the crucible skull under the action of Lorentz forces downward, and not conducting current GDP, which, when the direction of the Lorentz forces changes, more effectively settle in the base metal , the density of which becomes less, under the action of the Lorentz forces upward.
- Применение в качестве постоянных магнитов, запитанных от источников постоянного тока электромагнитов, позволяет силой пропускаемого по их обмотке тока варьировать напряженность вызываемого магнитного поля, что в совокупности с регулировкой величины тока, пропускаемого через электроды, позволяет подобрать оптимальный режим, расслоения расплава различных металлов в различной степени загрязнения посторонними включениями.- The use of electromagnets as permanent magnets powered from direct current sources allows the strength of the current passed through their winding to vary the strength of the induced magnetic field, which, together with the adjustment of the current flow through the electrodes, allows you to select the optimal mode, stratification of the melt of various metals in different degree of contamination with foreign bodies.
- Возможна реализация конструкции вакуумной камеры плавления с одним ЭЛ генератором, расположенным в среднем положении, с переключаемыми секторами сканирования и попеременно разогревающим расплав в тигле и кристаллизаторе. Стоимость установки при этом будет меньше, по уменьшится также производительность установки, и возможно ухудшение качества очистки от посторонних включений в материал слитка.- It is possible to implement the design of a vacuum melting chamber with one EL generator located in the middle position, with switchable scanning sectors and alternately heating the melt in the crucible and the mold. In this case, the cost of the installation will be less, and the productivity of the installation will also decrease, and the quality of cleaning from impurities in the ingot material may deteriorate.
- В отличии от способов рафинирования металлов, при которых в тигель необходимо загружать сразу весь объем шихты, необходимый для производства слитка заданного габарита, что затрудняет качественную очистку от включений больших объемов расплава, в предлагаемом способе в тигель загружается только оптимальный объем шихты, обеспечивающий как высокое качество очистки, так и высокую производительность процесса производства слитка. В данном способе предусмотрена возможность, по программе или вручную, изменять дозированные объемы загружаемой в тигель шихты, в зависимости от ее загрязнения или других условий, при этом необходимый габарит получаемого слитка достигается за счет многократного повторения циклов очистки этих небольших дозированных объемов загружаемой шихты, и этот габарит ограничен только размерами вакуумной камеры плавления, в которой этот слиток располагается в процессе его производства.- Unlike the methods of refining metals, in which it is necessary to immediately load the entire volume of the charge necessary for the production of an ingot of a given size into the crucible, which complicates the high-quality cleaning of large volumes of melt inclusions, in the proposed method, only the optimal volume of the charge is loaded into the crucible, providing as high quality of cleaning and high productivity of the ingot production process. This method provides for the possibility, according to the program or manually, to change the dosed volumes of the charge loaded into the crucible, depending on its contamination or other conditions, while the required size of the resulting ingot is achieved by repeating the cleaning cycles of these small dosed volumes of the charge, and this the size is limited only by the dimensions of the vacuum melting chamber, in which this ingot is located during its production.
- Использование тигля небольшого габарита, а также отсутствие необходимости в промежуточных ваннах с большой площадью для длительного воздействия электронных лучей на постоянно перемещаемый расплав, позволяет сделать предлагаемое устройство компактным, как по объему, что значительно облегчает создание в плавильной камере высокого вакуума, так и по площади, занимаемой устройством, что сокращает необходимую для него производственную площадь, и позволяет размещать несколько устройств в одном помещении.- The use of a crucible of small size, as well as the absence of the need for intermediate baths with a large area for long-term exposure of electron beams to the constantly moving melt, allows us to make the proposed device compact, both in volume, which greatly facilitates the creation of a high vacuum in the melting chamber, and in area occupied by the device, which reduces the required production area, and allows you to place several devices in the same room.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020133503A RU2753847C1 (en) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | Method and device for production of metal ingot |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020133503A RU2753847C1 (en) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | Method and device for production of metal ingot |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2753847C1 true RU2753847C1 (en) | 2021-08-24 |
Family
ID=77460357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020133503A RU2753847C1 (en) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | Method and device for production of metal ingot |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2753847C1 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2087563C1 (en) * | 1995-09-13 | 1997-08-20 | Владлен Александрович Чернов | Method of electron beam remelting of lump metallic material and device for its embodiment |
| JP2005042178A (en) * | 2003-07-25 | 2005-02-17 | Toho Titanium Co Ltd | Electron beam melting method for high melting point metal material |
| US6858059B2 (en) * | 2001-10-26 | 2005-02-22 | Toho Titanium Co., Ltd. | Electron beam melting method for metallic material |
| RU2489506C2 (en) * | 2008-12-10 | 2013-08-10 | Анатолий Евгеньевич Волков | Method and device of electron-beam or plasma smelting of metal from crystalliser to crystalliser |
| RU2660784C2 (en) * | 2014-01-09 | 2018-07-09 | Анатолий Евгеньевич Волков | Device for vacuum melting of refractory and reactive metals |
| US20200164432A1 (en) * | 2017-04-13 | 2020-05-28 | Nippon Steel Corporation | Method for producing metal ingot |
| US20200261970A1 (en) * | 2017-11-15 | 2020-08-20 | Kenzo Takahashi | Device and method for continuously removing impurities from molten metal |
-
2020
- 2020-10-12 RU RU2020133503A patent/RU2753847C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2087563C1 (en) * | 1995-09-13 | 1997-08-20 | Владлен Александрович Чернов | Method of electron beam remelting of lump metallic material and device for its embodiment |
| US6858059B2 (en) * | 2001-10-26 | 2005-02-22 | Toho Titanium Co., Ltd. | Electron beam melting method for metallic material |
| JP2005042178A (en) * | 2003-07-25 | 2005-02-17 | Toho Titanium Co Ltd | Electron beam melting method for high melting point metal material |
| RU2489506C2 (en) * | 2008-12-10 | 2013-08-10 | Анатолий Евгеньевич Волков | Method and device of electron-beam or plasma smelting of metal from crystalliser to crystalliser |
| RU2660784C2 (en) * | 2014-01-09 | 2018-07-09 | Анатолий Евгеньевич Волков | Device for vacuum melting of refractory and reactive metals |
| US20200164432A1 (en) * | 2017-04-13 | 2020-05-28 | Nippon Steel Corporation | Method for producing metal ingot |
| US20200261970A1 (en) * | 2017-11-15 | 2020-08-20 | Kenzo Takahashi | Device and method for continuously removing impurities from molten metal |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2751161C2 (en) | Method for the production of metal powders by gas spraying and a plant for the production of metal powders in accordance with this method | |
| CN101405231B (en) | Method for temperature manipulation of a melt | |
| RU2714718C2 (en) | Methods and devices for production of metal powder material | |
| EP0896197B1 (en) | Straight hearth furnace for titanium refining | |
| RU2089633C1 (en) | Device for melting and casting of metals and alloys | |
| JPS6233044A (en) | Method and device for melting or remelting granular metal | |
| KR20120025517A (en) | Apparatus and method for reduction of a solid feedstock | |
| WO2010068140A1 (en) | Method and apparatus for electron-beam or plasma-jet melting of metal from a crystallizer into a crystallizer | |
| KR101130830B1 (en) | A equipment for melting and casting uranium chip | |
| RU2443961C2 (en) | Method and device for induction stirring of liquid metal | |
| CN1894440B (en) | Electrochemical reduction of metal oxides | |
| RU2753847C1 (en) | Method and device for production of metal ingot | |
| RU2355791C2 (en) | Method of manufacturing of high reactivity metals and alloys ingots and vacuum-arc-refining furnace for manufacturing of reactivity metals and alloys ingots | |
| KR100556715B1 (en) | Induction furnaces and methods for melting fine metal particles and / or metal containing particles | |
| RU2346221C1 (en) | Method of vacuum-plasma melting of metals and alloys in skull furnace and facility for its implementation | |
| US20050173847A1 (en) | Method and apparatus for perimeter cleaning in cold hearth refining | |
| JP2005343779A (en) | Refining apparatus for scrap silicon using electron beam | |
| JP3759933B2 (en) | Electron beam melting method for refractory metals | |
| US3768541A (en) | Process and plant for electroslag remelting of consumable electrodes | |
| JP7256385B2 (en) | Manufacturing method and manufacturing apparatus for titanium alloy ingot | |
| EP1711289A1 (en) | Method and apparatus for perimeter cleaning in cold hearth refining | |
| RU2286398C2 (en) | Method for metal casting with the use of lining slag as consumable electrode | |
| RU2660784C2 (en) | Device for vacuum melting of refractory and reactive metals | |
| JPH0421727A (en) | Method and apparatus for producing titanium cast ingot | |
| RU2598020C2 (en) | Method and device for production of laminated ingots |