УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЛАВКИ МЕТАЛЛОВ

Полезная модель относится к специальной электрометаллургии, в частности к устройствам для рафинирования металлов путем переплавки с нагреванием облучением, а конкретно к электронно-лучевым установкам для расплавления и литья.
8
Известна установка для электронно-лучевой плавки металлов, содержащая плавильную вакуум-камеру с размещенными в ней узлом ввода шихты, водоохлаждаемой промежуточной емкостью и кристаллизатором, а также вакуум-камеру электронно-лучевого нагрева, расположенную над плавильной вакуум-камерой и снабженной электронно-лучевыми пушками (см. заявку Японии №1-242729, МПК С22В 11/10, 9/22, опубл. 27.09.1989).
Известная установка реализует электронно-лучевой переплав металлов с помощью односекционной промежуточной емкости. При этом температурное поле, устанавливающееся на поверхности жидкой ванны в промежуточной емкости, является следствием распределения мощности электронных лучей. В известной установке не обеспечивается равномерный нагрев металла, так как наблюдается перегрев центральной зоны расплава в промежуточной емкости и недогрев по краям ванны. Поверхность жидкой ванны, лежащая в зоне действия электронного луча, подвергается серии последовательных тепловых импульсов, частота и длительность которых зависит от диаметра фокального пятна и частоты развертки луча, поэтому в известной установке не достигается равномерное температурное поле. В связи с этим электронно-лучевой нагрев характеризуется значительным градиентом температур в различных точках поверхности расплава в промежуточной емкости, что приводит неравномерному распределению легирующих и примесных элементов в поперечном сечении слитка, а высокая температура фокального пятна способствует возникновению потерь металла за счет испарения. Применение
промежуточной емкости с нерегулируемым слоем гарниссажа сопряжено с избыточным расходом подводимой электроэнергии на компенсацию тепловых потерь, возникновением эрозии медной стенки и неполным переплавом кусков расплавляемой заготовки, что снижает качество переплавленного слитка. Отсутствие перемешивания расплава в промежуточной емкости не позволяет в полной мере использовать преимущества электронного луча и не обеспечивает оптимальных конфигураций зон нагрева и равномерного распределения энергии по нагреваемой поверхности. В данной установке при образовании гарниссажа в промежуточной емкости застывающий расплав не сцепляется прочно с охлаждаемой медной стенкой вследствие его усадки при охлаждении, и происходят периодическое отслоение и выплавление гарниссажного слоя. Это способствует (см. Башенко В.В. Электронно-лучевые установки. М.: Металлургия, 1972. С.123) локальному повышению коэффициента теплоотдачи от расплава к стенке промежуточной емкости и ее прогару, с загрязнением переплавляемого металла и снижением качества слитка. При переплавке высокореакционных металлов возможно возникновение взрывоопасных ситуаций при подплавлении стенки промежуточной емкости с неизбежным загрязнением слитка. Таким образом, известная установка не обеспечивает требований по получению высококачественных литых слитков переплавляемых металлов.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является установка для электронно-лучевой плавки металлов, содержащая плавильную вакуум-камеру с последовательно установленными в ней рольгангом, снабженным механизмом горизонтальной подачи заготовки, двухсекционной промежуточной емкостью, выполненной из днища, боковин и сливного носка, с системой водяного охлаждения и разделенной двумя барьерами на секции флотационного и дистилляционного рафинирования и секцию сливного носка, и кристаллизатором с механизмом вытягивания слитка, а также вакуум-камеру электронно-лучевого нагрева, снабженную четырьмя электронными пушками, расположенными соответственно над секциями флотационного и дистилляционного рафинирования, секцией сливного носка и над кристаллизатором, и снабженными источниками питания
8
с блоками управления (см. заявку ФРГ №3827074, МПК С22В 9/22, С21С 1/02, опубл. 22.02.1990).
Известная установка реализует электронно-лучевой переплав металлов с помощью двухсекционной промежуточной емкости. В связи со значительной площадью расплава в промежуточной емкости данная установка отличается относительно высокой неравномерностью нагрева поверхности жидкой ванны металла и требует применения сложных многопушечных систем электронно-лучевого нагрева. При этом при использовании промежуточной емкости прямоугольной формы и круговой или другой запрограммированной траектории движения электронного луча в углах или в центре наблюдается высокие неравномерности в распределении энергии по поверхности расплава и в температурном поле. Известная установка не обеспечивает постоянства тепловых потерь в различные периоды плавки, что приводит к локальному разрушению гарниссажа и прогару водоохлаждаемой стенки промежуточной емкости. При переходе к различным переплавляемым металлам и иным размерам шихтовой заготовки и слитка требуется сложная перестройка конструкции электронных пушек. Задание температурного поля на поверхности ванны с помощью системы отклонения лучей, питаемой током специальной формы, не устраняет краевых и угловых переохлажденных зон и не обеспечивает максимальной равномерности нагрева металла. Такой нагрев с высокими градиентами температур в различных точках поверхности расплава в промежуточной емкости способствует неравномерному распределению легирующих элементов в поперечном сечении слитка, а значительная температура фокального пятна приводит к повышенным потерям легкоиспаряющихся компонентов из-за испарения, что снижает однородность и качество слитка. В известной установке наблюдается значительное развитие процесса испарения и потери металла составляют 3-20% (см. Калугин А.С., Калугина К.В. Эффективность рафинирования при переплавных процессах. М.: Металлургия, 1988. С.19). Например, происходят повышенные потери марганца, и ограничивается возможность получения сложнолегированных сплавов вследствие избирательного испарения
элементов. В известной установке удаление примесей в виде газов и паров происходит только с поверхности перегретого металла из-за неэффективного перемешивания жидкой ванны конвекцией при электронно-лучевом нагреве. Интенсификация конвекции с увеличением температурного градиента на поверхности металла и разности плотностей поверхностного слоя и остальной части жидкой ванны приводит к избирательному испарению легирующих компонентов и снижению качества слитка. Поверхностный нагрев значительных количеств расплава в водоохлаждаемой промежуточной емкости требует применения электронных пушек большой мощности и ограничения глубины металлической ванны, что снижает к.п.д. и экономичность нагрева, а также не обеспечивает химическую однородность и стабильность механических и физических свойств металла по всему объему слитка (см. Шиллер 3., Гайзиг У., Панцер 3. Электронно-лучевая технология: Пер. с нем. М.: Энергия, 1980. С.120). Таким образом, известная установка имеет существенный недостаток - отсутствие средств для эффективного перемешивания расплава в промежуточной емкости, что не обеспечивает условий по получению высококачественного слитка.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая установка для электронно-лучевой плавки металлов, является повышение качества непрерывнолитого слитка переплавляемого металла.
Техническим результатом от использования предлагаемого устройства является организация оптимального перемешивания расплава в промежуточной емкости, а также регулирование условий образования гарниссажа и скорости разливки металла в кристаллизатор со сливного носка. Это повышает механическую и химическую однородность расплава и уменьшает образование и развитие дефектов макро- и микроструктуры слитков, связанных с кристаллизацией, усадочными и ликвационными процессами.
Поставленная задача решается тем, что в известной установке для электроннолучевой плавки металлов, включающей плавильную вакуум-камеру с последовательно установленными в ней рольгангом, с механизмом горизонтальной подачи
заготовки, двухсекционной промежуточной емкостью с системой водяного охлаждения, разделенную двумя барьерами на секции флотационного и дистилляционного рафинирования и секцию сливного носка, который размещен на боковой поверхности двухсекционной промежуточной емкости напротив механизма горизонтальной подачи заготовки, и кристаллизатором с механизмом вытягивания слитка, а также вакуум-камерой электронно-лучевого нагрева, снабженной четырьмя электронными пушками, расположенными соответственно над секциями флотационного и дистилляционного рафинирования и секцией сливного носка и над кристаллизатором, причем электронные пушки оборудованы источниками питания с блоками управления, добавлены новые элементы и изменены связи между узлами. Установка дополнительно снабжена микропроцессорной системой управления, вход которой соединен с задатчиком вида металла и массы заготовки. Под днищем промежуточной емкости установлены три электромагнитных индуктора, соответственно под секциями флотационного и дистилляционного рафинирования и секцией сливного носка, подключенные к преобразователю напряжения с регулятором частоты и тока. На входе системы охлаждения промежуточной емкости установлен регулятор расхода воды, а на ее выходе - датчик температуры. Выходы микропроцессорной системы управления подключены к механизму горизонтальной подачи заготовки, к блокам управления источников питания электронных пушек, к механизму вытягивания слитка из кристаллизатора, к регулятору частоты и тока преобразователя напряжения электромагнитных индукторов и к регулятору расхода воды на входе системы охлаждения промежуточной емкости. Датчик температуры воды на выходе системы охлаждения соединен с входом в микропроцессорную систему управления.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображен поперечный разрез установки для электронно-лучевой плавки металлов и схема ее регулирования.
Установка для электронно-лучевой плавки металлов содержит плавильную вакуум-камеру 1 и расположенную над ней вакуум-камеру электронно-лучевого
нагрева 2. В плавильной вакуум-камере 1 последовательно установлены рольганг 3, снабженный механизмом горизонтальной подачи заготовки 4, двухсекционная промежуточная емкость 5, выполненная из меди в виде днища 6, боковой поверхности 7 и сливного носка 8, с проточной системой водяного охлаждения 9, и разделенная двумя барьерами 10 на секции флотационного 11 и дистилляционного 12 рафинирования, секцию сливного носка 13. Сливной носок 8 размещен на боковой поверхности 7 двухсекционной промежуточной емкости 5 напротив механизма горизонтальной подачи заготовки 4. Двухсекционная промежуточная емкость 5 сообщается с кристаллизатором 14, имеющим механизм вытягивания слитка 15. На входе системы охлаждения 9 промежуточной емкости 5, выполненной из листовой меди с каналами, установлен регулятор расхода воды 16, а на ее выходе - датчик температуры воды 17. В вакуум-камере электронно-лучевого нагрева 2 установлены четыре электронные пушки 18, 19, 20 и 21 известной конструкции с неплавящимся анодом (см. Электронная плавка металлов / Заборонок Г.Ф., Зеленцов Т.И., Ронгани А.С.и др. М.: Металлургия, 1972. С.16), расположенные соответственно над секциями флотационного рафинирования 11, дистилляционного рафинирования 12, секции сливного носка 13 промежуточной емкости 5 и над кристаллизатором 14, каждая из которых снабжена источником питания 22 с блоком управления 23 (на чертеже показан один комплект). Под днищем 6 промежуточной емкости 5 установлены три электромагнитных индуктора 24, 25, и 26 под секциями флотационного 11 и дистилляционного 12 рафинирования и секцией сливного носка 13, подключенные к преобразователю напряжения 27 с регулятором частоты и тока 28. Установка снабжена микропроцессорной системой управления 29, вход которой соединен с задатчиком вида металла и массы заготовки 30. Выходы из микропроцессорной системы управления 29 подключены к механизму горизонтальной подачи заготовки 4, к блокам управления 23 источников питания 22 электронных пушек 18-21, к механизму вытягивания слитка 15 из кристаллизатора 14, к регулятору частоты и тока 28 преобразователя напряжения 27 и к регулятору расхода воды 16 на входе системы охлаждения 9 промежуточной емкости 5. Датчик температуры воды 17, расположенный на выходе из системы охлаждения
9 соединен с входом микропроцессорной системы управления 29.
Установка для электронно-лучевой плавки металлов работает следующим образом. После загрузки заготовки установку герметизируют и с помощью вакуумной системы (на чертеже она не показана) производят откачку воздуха до остаточного давления в плавильной вакуум-камере 1 на уровне 0,01 Па и в вакуум-камере электронно-лучевого нагрева 2 - на уровне 0,001 Па. По рольгангу 3 с помощью механизма горизонтальной подачи 4 подают заготовку в зону действия электронных лучей для переплава в промежуточную емкость 5. На днище 6, боковой поверхности 7 и сливном носике 8 промежуточной емкости 5 за счет подачи воды в каналы системы охлаждения 9 и интенсивного отвода тепла от металла образуется слой гарниссажа из расплава переплавляемой заготовки. Два водоохлаждаемых барьера 10 разделяют промежуточную емкость 5 на секции флотационного 11 и дистилляционного 12 рафинирования и секцию сливного носка 13, где последовательно происходят накапливание и рафинирование расплава от вредных примесей, а также задерживаются шлаки и неметаллические включения. Затем жидкий металл из промежуточной емкости 5 стекает по собственному металлическому гарниссажу через сливной носок 13 в кристаллизатор 14, где формируется слиток, перемещаемый вниз с помощью механизма вытягивания 15. Регулирование расхода воды на входе в систему охлаждения 9 промежуточной емкости осуществляется регулятором расхода воды 16, а контроль ее температуры - с помощью датчика температуры воды 17, например термометра сопротивления типа ТПП-С. Нагрев торца заготовки и ванны металла в секции флотационного рафинирования 11, а также расплава в секции дистилляционного рафинирования 12, секции сливного носка 13 и в кристаллизаторе 14 осуществляется с помощью четырех электронных пушек соответственно 18, 19, 20 и 21. При столкновении пучков электронов с металлом происходит их поглощение в тонком поверхностном слое с превращением их кинетической энергии в тепло. В процессе переплава тяжелые включения опускаются на дно промежуточной емкости 5 в гарниссаж, а легкие включения всплывают на поверхность расплава и разрушаются под действием электронного луча. Регулирование мощности электронных пушек 18-21, фокусировки и отклонения
электронных лучей и скорости нагрева расплава производится с помощью источников питания 22 с блоками управления 23. Перемешивание расплава в секциях флотационного 11 и дистилляционного 12 рафинирования и сливного носка 13 осуществляется соответственно электромагнитными индукторами 24, 25 и 26 плоской конструкции, установленными под днищем 6 промежуточной емкости 5. Регулирование направления и интенсивности перемешивания расплава производится с помощью преобразователя напряжения 27 от регулятора частоты и тока 28. Обмотки электромагнитных индукторов 24-26 подключаются к двухфазному источнику тока низкой частоты (0,5-10 Гц) с углом сдвига фаз 90°, что обеспечивает необходимую глубину проникновения электромагнитного поля в металл через днище 6 и гарниссаж и регулирование интенсивности перемещения расплава. Переключением обмоток электромагнитных индукторов 24-26 на преобразователе напряжения 27 (на чертеже не показано) можно изменять характер и направление движения расплава, что позволяет транспортировать шлакообразующие и легирующие добавки в перегретые зоны под фокальными пятнами электронно-лучевых пушек 18-21. При питании электромагнитных индукторов 24-26 от преобразователя напряжения 27 токами с низкой частотой создается «бегущее» электромагнитное поле. Оно наводит в расплаве вихревые токи, заставляя металл в нижней части ванны двигаться по направлению бегущего поля, а в верхней - в противоположную сторону. Этим обеспечивается перемешивание и выравнивание физико-химических характеристик металла. Происходит усреднение температуры расплава по объему ванны в промежуточной емкости 5 и облегчается операция удаления неметаллических включений и скачивания шлака.
Применение электромагнитных индукторов 24-26 позволяет улучшить условия распространения тепла внутри расплава и создать значительно больший объем металла в промежуточной емкости 5 при той же мощности электронных пушек 18-21, что повышает к.п.д. и экономичность по сравнению с прототипом.
Выход электромагнитного поля от индукторов на поверхность расплава приводит к «размыванию» фокального пятна электронного луча и тем самым позволяет
снижать локальный перегрев металла. Электромагнитные индукторы 24-26 могут обеспечивать вращение расплава в любой вертикальной плоскости в секциях флотационного рафинирования 11 и секции сливного носка 13, при этом интенсифицируется вынос легких примесей на поверхность в секции дистилляционного рафинирования 12 и улучшается распределение легирующих добавок. Электромагнитное перемешивание повышает скорость плавки при горизонтальной подаче заготовки, так как свежие порции шихты, увлекаемые вращающимся металлом, быстро уходят с участка затеняемого от электронного луча электронной пушки 18 переплавляемой заготовкой. Электромагнитное перемешивание металла в промежуточной емкости 5 обеспечивает равномерное орошение расплавом всех участков гарниссажа, что повышает его устойчивость и прочность сцепления с медной водоохлаждаемой стенкой, предотвращает его отслоение и выплавление. При этом снижаются тепловые потери, улучшается эффективность электронного луча, а также снижаются эрозия промежуточной емкости 5 и загрязнение нагреваемого расплава медью, что повышает качество металла слитка. Электромагнитное перемешивание позволяет увеличить площадь испарения на более ранних ступенях рафинирования на торце заготовки и в секции флотационного рафинирования 11 с обеспечением повышенных концентрационных напоров и минимальных потерь на испарение. Поэтому переплав с промежуточной емкостью 5, снабженной электромагнитными индукторами 24-26, обеспечивает более низкое содержание газов, вредных примесей, неметаллических включений и повышенные плотность и качество структуры слитка. Перемешивание расплава снижает локальный поверхностный перегрев расплава и уменьшает потери на испарение металла до 1-2% (см. Мовчан Б.А., Тихоновский А.Л., Курапов Ю.А. Электронно-лучевая плавка и рафинирование металлов и сплавов. Киев: Наукова думка, 1973. С.39). Кроме того, наличие электромагнитного перемешивания в промежуточной емкости 5 позволяет эффективно осуществлять раскисление, десульфурацию, обезуглероживание и микролегирование различными элементами, способствует усреднению химического состава получаемого слитка, причем более развитая реакционная поверхность обеспечивает повышение эффективности рафинирования с одновременным повышением производительности.
Для оптимизации теплового режима при электронно-лучевом нагреве, с точки зрения равномерности нагрева поверхности ванны, минимального угара металла, условий рафинирования и стабильности гарниссажного слоя, производится регулирование процессом с помощью микропроцессорной системы управления 29. При этом на ее входе формируется задающий сигнал от задатчика вида металла и массы заготовки 30. В соответствии с исходными данными с выходов микропроцессорной системы управления 29 генерируются управляющие сигналы на механизм горизонтальной подачи заготовки 4, блоки управления 23 источников питания 22 электронных пушек 18-21, механизм вытягивания слитка 15, регулятор частоты и тока 28 преобразователя напряжения 27 и регулятор расхода воды 16. Для регулирования теплового состояния промежуточной емкости 5 сигнал обратной связи с датчика температуры 17 подается на вход в микропроцессорную систему управления 29. Регулирование частоты и силы тока, подаваемых на электромагнитные индукторы 24-26, производится регулятором 28 по управляющему сигналу, который поступает на него с выхода микропроцессорной системы управления 29 и согласован с видом металла, величиной подводимой мощности на электронные пушки 18-21 и программой ее распределения на поверхности расплава, а также со скоростями подачи заготовки и вытягивания слитка. Регулируемое микропроцессорной системой управления 29 перемешивание металла в промежуточной емкости 5 позволяет более полно использовать преимущества электронного луча как независимого источника энергии, обеспечивает возможность создания оптимальных конфигураций зон нагрева с прецизионным распределением энергии по нагреваемой поверхности. Регулируемые перемешивание расплава и режим охлаждения промежуточной емкости 5 обеспечивают стабильное поддержание температуры металла без разрушения гарниссажного слоя. Повышение стабильности службы гарниссажа при переплавке высокореакционных металлов предотвращает взрывоопасные ситуации за счет исключения подплавления стенки промежуточной емкости 5. Организация электромагнитного перемешивания расплава в промежуточной емкости 5 предотвращает попадание не расплавившихся кусочков шихты из немонолитной переплавляемой заготовки в наплавляемый слиток в кристаллизаторе 14. Кроме того, такое перемешивание
позволяет регулировать температуру расплава в промежуточной емкости 5 и, перед сливом в кристаллизатор 14, создавать область увеличенного объема металла с эффективным перемешиванием для усреднения его состава. Процесс проводится до полного сплавления исходной заготовки, а затем в прибыльной части слитка в кристаллизаторе 14 электронной пушкой 21 выводится усадочная раковина и слиток удаляется с помощью механизма вытягивания 15.
2
2
2
Производилась сравнительная плавка титановой губки на 30-тонной электронно-лучевой установке с четырьмя аксиальными электронными пушками типа ЕН-1200/50-1,2 МВт по схеме приведенной в прототипе и по заявляемой схеме. Использовалась титановая губка марки ТГ-100 со средним содержанием примесей (%): 0,012 H; 0,4 O; 0,04 N; 0,2 Fe; 0,07 С и 0,06 Аl. Переплав производился в кристаллизатор диаметром 125 мм при скорости вытягивания слитка 10 мм/мин. Скорость переплава поддерживалась на постоянном уровне равномерной подачей переплавляемой заготовки. Подводимая мощность в процессе переплава регулировалась на постоянном уровне благодаря стабилизации тока накала катодов электронных пушек. Сравнение химического состава переплавленного титана показало (табл.), что содержание примесей в слитках, полученных в заявляемой установке, уменьшилось в среднем в 1,5-2 раза по сравнению с прототипом.
Таблица. Химический состав титана (в %), выплавленного в установке по прототипу и в заявляемой установке
Вид установки
Ti
Содержание примесей, %
Сумма прочих примесей
С
Fe
Si
Zr
W
O
N
H
Прототип
99,2
0,02
0,10
0,1
0,01
0,2
0,2
0,03
0,010
0,30
Заявляемая
99,9
0,01
0,05
0,08
0,1
0,01
0,007
0,10
в
0,2
Кроме того, улучшились пластические свойства титана: предел прочности при растяжении σ (при 20°С) с 530 до 294 МПа, предел текучести σ с 422 до 245 МПа, относительное удлинение δ с 20 до 25% и относительное сужение ψ с 47 до 60%.
Заявляемое устройство обеспечивает повышение качества титана за счет получения высоких физико-механических и служебных свойств. Электромагнитное перемешивание расплава в промежуточной емкости создает условия для более эффективного удаления неметаллических включений. В целом, при одинаковой с прототипом производительности заявляемая установка позволяет повысить степень рафинирования в 1,5-2 раза.
Таким образом, заявляемая установка для электронно-лучевой плавки металлов позволяет улучшить качество непрерывнолитого слитка, получаемого из переплавляемой заготовки, за счет: повышения интенсивности перемешивания при электромагнитном воздействии на металл в промежуточной емкости с регулированием времени выдержки и температуры расплава, что способствует более полному и ускоренному протеканию физико-химических процессов и эффективному удалению газов и примесей из металла; уменьшения структурной и химической неоднородности литого металла путем усреднения температуры и химического состава расплава переплавляемого металла; обеспечения оптимальных скоростей движения расплава в промежуточной емкости и жидкой фазы слитка; устранения опасности прогорания или зарастания гарниссажом промежуточной емкости; повышения мобильности и степени автоматизации процесса плавки.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что заявляемая установка для электронно-лучевой плавки металлов обеспечивает повышение качества непрерывнолитых слитков переплавляемого металла, работоспособно и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе. Соответственно, заявляемая установка может быть применена в специальной электрометаллургии с целью повышения качества непрерывнолитого металла, а, следовательно, соответствует условию «промышленной применимости».