СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКОВ ГАФНИЯ В ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЕЧИ
METHOD FOR OBTAINING HAFNIUM INGOTS IN ELECTRON BEAM FURNACE

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению слитков гафния.
Известен способ выплавки слитков гафния в электронно-лучевых печах с использованием промежуточной емкости («Рафинирование металлов и сплавов методом электронно-лучевой плавки». Тихоновский А.Л., Тур А.А. Киев., «Наукова думка», 1984, 272 с.).
Недостатком известного метода является неоднородность слитка по объему при использовании разного по составу материала из-за порционного слива металла в кристаллизатор.
Наиболее близким аналогом является способ получения слитков тугоплавких металлов (в т.ч. гафния, ниобия, циркония) в электронно-лучевой печи, включающий загрузку шихты и плавку металла электронным лучом с электромагнитным перемешиванием расплава (RU 2309997 С2, С22В 9/22, 10.11.2007). При этом достигается однородность слитков за счет перемешивания расплава во время плавки.
Недостатки известного способа: нестабильный процесс плавки из-за обильного выделения газов из шихты по мере ее прогрева и плавления, недостаточная степень очистки металла от легколетучих примесей, недостаточно высокая однородность выплавленных слитков гафния. Плавка металла с постоянной мощностью нагрева требует дополнительной операции подготовки шихты (спекание и др.) для стабилизации процесса плавки. Из-за нестабильности режима плавки невозможно определить время, при котором расплавится весь объем загруженной шихты.
Задачи, решаемые с помощью предлагаемого изобретения: стабилизация режима плавки гафния за счет исключения пробоев электронно-лучевой пушки, повышение качества слитков (повышение однородности распределения примесей по объему слитков), снижение затрат удельной электроэнергии, увеличение выхода годного.
Технический результат достигается тем, что в способе электронно-лучевой плавки гафния, включающем загрузку шихты и плавку металла электронным лучом с электромагнитным перемешиванием расплава, плавку проводят в тигле с гарнисажем в трехступенчатом режиме:
1
1
1
1-я ступень - разогрев шихты и наведение жидкой ванны при мощности электронного луча P=К·Pmax, где К≤0,5;
2
2
2
2-я ступень - усреднение и рафинирование металла при электромагнитном перемешивании расплава с направлением перемешивания к стенкам гарнисажа при мощности электронного луча Р=К·Pmax, где 0,5<К<0,9;
3
3
3
3-я ступень - слив расплава при электромагнитном перемешивании расплава с направлением перемешивания к центру тигля при мощности электронного луча Р=К·Рmax, где 0,9≤К≤1,
1
2
3
где P, P и Р - мощность луча на 1, 2 и 3 ступенях режима;
1
2
3
К, К и К - коэффициенты мощности луча;
Рmax - максимальная мощность электронного луча.
Применение при расплавлении с системой электромагнитного перемешивания шихты тигля с гарнисажем и трехступенчатого режима плавки при заявленных режимах электронного луча позволяет за счет постепенного нагрева и расплавления исходного материала проводить плавку в стабильном режиме (без пробоев электронно-лучевой пушки), при этом достигается большая степень очистки от легколетучих примесей, уменьшается время плавки, снижаются затраты удельной электроэнергии, повышается однородность слитков за счет более равномерного распределения примесей по объему слитка, увеличивается объем расплава, сливающегося в форму за счет изменения направления перемешивания расплава, что приводит к увеличению выхода годного.
Примером осуществления предлагаемого способа является выплавка слитков гафния из шихты в виде компактных исходных материалов (кальциетермические слитки, иодидные прутки, обороты гафниевого производства) в электронно-лучевой гарнисажной печи ВДЛ-4М с тиглем, оснащенным системой электромагнитного перемешивания (выплавлено 8 слитков). Размер тигля: диаметр 300 мм, высота 300 мм. В тигель с гарнисажем загружали 60-75 кг исходной шихты.
Плавку загруженной шихты проводили по трехступенчатому режиму, описанному ниже, с максимальной мощностью пушки 300 кВт (Рmax).
1
1-я ступень - разогрев шихты и наведение жидкой ванны при мощности Р=100÷150 кВт;
2
2-я ступень - усреднение и рафинирование металла с включением системы электромагнитного перемешивания (направление перемешивания расплава к стенкам гарнисажа) при мощности Р=151÷269 кВт;
3
3-я ступень - слив расплава с включением системы электромагнитного перемешивания (направление перемешивания расплава к центру тигля) при мощности Р=270÷300 кВт.
Для сравнения была проведена плавка по прототипу с постоянной мощностью электронно-лучевого нагрева.
Полученные результаты приведены в таблице.
Анализ результатов, приведенных в таблице, показывает, что использование трехступенчатого режима плавки уменьшает время плавки в тигле с гарнисажем, снижает затраты удельной электроэнергии, увеличивает объем расплава, сливающегося в форму (масса слитка), увеличивает коэффициенты очистки от легколетучих примесей, повышает однородность слитков (уменьшаются значения коэффициентов вариации содержания примеси), повышает выход годного.
Данный способ выплавки слитков в электронно-лучевой печи может быть использован в печах с электронными пушками различной мощности (Рmах). Очевидно, что при этом продолжительность плавки на каждой ступени подбирается экспериментальным путем.
Заявляемый способ выплавки слитков гафния в электронно-лучевой печи опробован с положительным результатами в производственных условиях ОАО «ЧМЗ».
Наименование показателя
Прототип
Плавка по трехступенчатому режиму
№1
№2
<b>№3 оптимальный</b>
№4
№5
<b>№6 оптимальный</b>
№7 оптимальный
№8 оптимальный
Исходный материал - <b>кальциетермический гафний</b>
Исходный материал - <b>кусковые обороты гафниевого производства</b>
Время плавки, мин
122
115
110
<b>85</b>
135
115
<b>80</b>
<b>100</b>
<b>80</b>
Мощность первой ступени, кВт
300
170
140
<b>130</b>
180
250
<b>140</b>
<b>100</b>
<b>150</b>
Мощность второй ступени, кВт
300
280
260
<b>220</b>
260
280
<b>250</b>
<b>155</b>
<b>270</b>
Мощность третьей ступени, кВт
300
280
260
<b>300</b>
260
300
<b>270</b>
<b>270</b>
<b>300</b>
Затраты удельной электроэнергии, кВт/кг
4,8
4,4
4,0
<b>2,7</b>
4,5
4,6
<b>2,6</b>
<b>2,4</b>
<b>2,9</b>
Наличие пробоев электронно-лучевой пушки
есть
нет
нет
<b>нет</b>
нет
нет
<b>нет</b>
<b>нет</b>
<b>нет</b>
Масса слитка, кг
39
55
60,2
<b>69,4</b>
60,4
62,6
<b>73,2</b>
<b>66,7</b>
<b>67,0</b>
Коэффициент очистки гафния (отношения содержание примеси до плавки и после)
Fe
1,5
1,8
2,3
<b>4</b>
1,3
2,2
<b>6,3</b>
<b>5,9</b>
<b>5,2</b>
Si
1,1
1,2
1,3
<b>2,4</b>
1,2
1,5
<b>2,7</b>
<b>2,5</b>
<b>2,7</b>
Ni
1,5
1,8
2,2
<b>3,6</b>
1,4
2,2
<b>4,6</b>
<b>4,2</b>
<b>4,7</b>
Сu
2
2,5
2,7
<b>4,5</b>
1,9
3,1
<b>5,8</b>
<b>5,6</b>
<b>5,7</b>
Относительный коэффициент вариации содержания примеси, %
Fe
10
8,1
7,6
<b>4,7</b>
9,2
8,3
<b>5,1</b>
<b>6,1</b>
<b>5,8</b>
Si
17,2
12,3
11
<b>3,9</b>
16,2
11,3
<b>6,2</b>
<b>6,6</b>
<b>5,9</b>
Ni
9,8
8,5
7,2
<b>4,3</b>
9,2
7,0
<b>5,0</b>
<b>5,7</b>
<b>4,8</b>
Сu
12
9
8,3
<b>5,7</b>
11,1
8,7
<b>6,2</b>
<b>6,9</b>
<b>5,8</b>
Выход годного, %
87%
90,6
92,2
<b>96,7</b>
92,4
92,5
<b>97,6</b>
<b>96,1</b>
<b>96,8</b>