МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ГАРНИСАЖНОЙ ПЛАВКИ

Полезная модель относится к области к специальной электрометаллургии, в частности к вакуумно-дуговым гарнисажным печам и может быть использовано для выплавки высокореакционных металлов и сплавов, преимущественно титановых.
При плавке в вакуумных дуговых гарнисажных печах для плавления расходуемого электрода и шихтового материала, уложенного в тигле, в качестве источника нагрева используется электрическая дуга большой мощности. При этом одним из электродов является шихтовой материал, а расходуемым электродом для получения слитков служит сформировавшийся в тигле на предыдущей плавке гарнисаж. Плавка производится в вакуумном пространстве, что необходимо для отведения из расплава газовых примесей. В качестве источника нагрева используется электрическая дуга большой мощности, возникающая между расходуемым (сплавляемым в тигель) электродом и шихтой, загруженной в тигле. Расходуемым электродом служит титановый гарнисаж, извлеченный из тигля после предыдущей плавки. В процессе плавки в тигле накапливается необходимый объем жидкого расплава, после чего тигель, посредством специального механизма, наклоняется, сливая часть жидкого расплава в кристаллизатор.
Оценка результатов, полученных при производстве промышленных слитков в вакуумных дуговых гарнисажных печах позволяет выделить следующие положительные их качества:
- эффективное удаление газовых включений из расплава при плавке в вакуумном объеме;
- ликвидация ограничений по минимальной доли титановой губки в шихте (по сравнению с печами вакуумно-дугового переплава (ВДП));
- высокая химическая однородность слитка, т.к. легирующие элементы во время накопления необходимого объема жидкой ванны в тигле перемешиваются конвективными и электромагнитными взаимодействиями;
- отсутствие в слитке твердосплавных включений, которые не переходят в жидкую фазу в жидкой ванне тигля и остаются «вмороженными» в стенки гарнисажа.
Однако, для предотвращения интенсивного насыщения поверхностей слитка и гарнисажа кислородом и азотом, содержащимися в атмосфере, температура поверхности выгружаемого из печи слитка не должна превышать 400°C. После кристаллизации жидкого расплава в кристаллизаторе и тигле, а затем остывания горячего металла с достижением температуры на его наружных поверхностях менее 400°C, вакуумная камера печи раскрывается для выгрузки гарнисажа и слитка. Поэтому охлаждение расплава в печи является весьма продолжительным процессом и является негативным фактором, существенно ограничивающим производительность печи.
Известна вакуумная дуговая гарнисажная печь, содержащая вакуумную водоохлаждаемую камеру, электрододержатель, расходуемый электрод-гарнисаж, кристаллизатор, водоохлаждаемый тигель с закладным стержнем и закладной задней стенкой с контрольными термопарами (патент РФ №2194780, публ. 20.12.2002). В известной печи процесс теплоотдачи от нагретых поверхностей металла к стенкам вакуумной камеры печи несколько интенсифицируют подачей в вакуумную камеру инертного газа давлением в несколько мм.рт.ст. Более высокая концентрация инертного газа приводит к конвективным тепловым потокам большой мощности, передающим тепловой поток к таким элементам печи, как вакуумные уплотнения, средства телеметрии и выходу их из строя. Кроме того, конвективный способ охлаждения приводит к значительному температурному градиенту несущих элементов вакуумной камеры и ее деформациям.
Дополнительным фактором, затрудняющим охлаждение, является тот фактор, что слиток и гарнисаж после кристаллизации дают «усадку» и отходят от вертикальных поверхностей кристаллизатора и тигля, прекращая теплоотдачу к стенкам путем теплопроводности в зоне плотного теплового контакта. Таким образом, охлаждение слитка и гарнисажа в печи происходит, главным образом, путем лучистого теплообмена и занимает длительное время в технологическом цикле.
По имеющимся данным работы известной печи, технологический процесс получения слитка длится около 18 часов, из которых технологические операции, задействующие плавильное оборудование: источник питания, вакуумную и гидросистему, т.е. вакуумирование, плавка и слив металла в кристаллизатор составляют не более 5 часов. Время охлаждения гарнисажа и слитка внутри печи составляет до 7-9 часов, остальное время отводится на операции загрузки-разгрузки, чистки и пр.
Существенным недостатком указанного способа является необходимость длительного времени остывания слитка и гарнисажа в вакуумном объеме печи, что ведет к неэффективному использованию плавильного оборудования.
Известен вакуумный дуговой гарнисажный агрегат для выплавки высокореакционных металлов и сплавов, содержащий стационарный модуль, включающий стационарную камеру с системой вакуумирования, электрододержатель с вакуумным уплотнением, источник тока, расходуемый электрод-гарнисаж, и четыре подвижных модуля, состоящих из вакуумной камеры, вакуум-плотной шиберной задвижки, водоохлаждаемого тигля и кристаллизатора, характеризующийся тем, что он дополнительно оборудован отдельно расположенными стационарными техническими участками: участок остывания гарнисажа и слитка, участок для разборки подвижного модуля, участок сборки подвижного модуля, при этом стационарный модуль оснащен механизмом вертикального подъема и стыковки подвижного модуля и последовательно соединен со стационарными технологическими участками наземными путями, размещенными по замкнутой траектории, по которым осуществляется шаговое перемещение подвижных модулей, которые дополнительно снабжены механизмом наклона тигля, механизмом поворота шиберной задвижки и системой подачи гелия (Патент РФ №2394925, публ. 27.02.2010) - прототип.
Недостатком известного устройства является последовательное расположение подвижных модулей на наземных путях конвейерного типа, что приводит к простоям агрегата и невозможности продолжения непрерывной работы при неисправности или ремонтах, по крайней мере, одного подвижного модуля или наземных путей.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности использования плавильного оборудования при сохранении качества выплавляемых слитков.
Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются повышение удобства эксплуатации и обслуживания оборудования, а также автономности взаимозаменяемых передвижных модулей при одновременном параллельном выполнении технологических операций или осуществлении ремонта.
Указанный технический результат достигается тем, что в металлургическом комплексе для вакуумной дуговой гарнисажной плавки, содержащем вакуумную водоохлаждаемую камеру, электрододержатель, расходуемый электрод-гарнисаж, вакуумпровод, средства управления и наблюдения за дугой и сливом металла, водоохлаждаемый тигель и кристаллизатор, согласно полезной модели электрододержатель, вакуумпровод, средства управления и наблюдения за дугой и сливом металла, размещены в вакуумной камере, смонтированной в стационарном центральном блоке, к которому для осуществления плавки попеременно поворотно-стыковочным механизмом пристыковывается один из идентичных подвижных плавильных модулей, перемещаемых по наземным путям из технологических порталов, расположенных концентрично по отношению к стационарному центральному блоку и содержащих механизмы перемещения подвижных модулей, при этом подвижный плавильный модуль включает вакуумную камеру, снабженную шиберной вакуумной заслонкой с механизмом поворота и размещенными внутри камеры плавильным тиглем с механизмом наклона и кристаллизатором, а остальные подвижные плавильные модули расположены в технологических порталах с возможностью проведения в них технологических операций, причем охлаждение элементов плавильных модулей осуществляется посредством системы гибких трубопроводов от насосной станции.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена блок-схема металлургического комплекса. На фиг. 2а представлен вид по А-А - стационарный центральный блок перед стыковкой подвижного плавильного модуля, на виде 2б изображен центральный блок в сборе в процессе плавки, на виде 2в плавильный блок показан во время слива расплава в кристаллизатор, на виде 2г отображен плавильный блок после отстыковки передвижного плавильного модуля и закрытия шиберной заслонки.
Металлургический комплекс состоит из стационарного центрального блока 1, к которому для проведения плавки поочередно передвигаются и пристыковываются подвижные плавильные модули 2, перемещаемые по наземным путям 3 из технологических порталов 4. Охлаждение элементов плавильных модулей осуществляется посредством системы гибких трубопроводов 5 от насосной станции (не показана). Центральный стационарный блок содержит вакуумную камеру 6 с электрододержателем 7, вакуумпровод 8, средства управления и наблюдения за дугой и сливом металла (не показаны). Подвижные плавильные модули содержат вакуумную камеру 9, снабженную шиберной вакуумной заслонкой 10 с механизмом поворота, с размещенными внутри камеры плавильным тиглем 11 с механизмом наклона и кристаллизатором 12. Стыковка центрального стационарного плавильного блока с подвижными плавильными модулями осуществляется поворотно-стыковочным механизмом 13.
Металлургический комплекс работает следующим образом.
Комплекс содержит один центральный стационарный модуль и несколько периферийных подвижных плавильных модулей, которые размещаются в технологических порталах, при этом, по крайней мере, один технологический портал, центральный или периферийный, постоянно остается свободным. На электрододержатель верхнего стационарного плавильного модуля устанавливается гарнисаж-расходуемый электрод, полученный от предыдущей плавки. Подготовленный к работе подвижный плавильный модуль с установленными внутри тиглем и кристаллизатором и открытой вакуумной шиберной заслонкой перемещается из технологического портала в центральный стационарный блок и поворотно-стыковочным механизмом стыкуется по вакуумному уплотнению. Производится вакуумирование смонтированного блока. Между расходуемым электродом и шихтой, уложенной в тигель, разжигается электрическая дуга и производится сплавление электрода и шихты до образования необходимого объема жидкой ванны расплава в тигле. Производится наклон тигля и слив расплава в кристаллизатор. Далее тигель поднимается в исходное положение и производится доплавление расходуемого электрода в тигель. Электрододержатель с огарком расходуемого электрода поднимается в верхнее положение, после чего производится закрытие шиберной заслонки плавильного модуля внутри вакуумного объема вакуумной плавильной камеры. Внутрь плавильного модуля подается инертный газ для интенсификации остывания гарнисажа и слитка. Со стороны вакуумпровода производится контроль герметичности шиберной заслонки. Подвижный плавильный модуль отстыковывается от стационарного блока посредством поворотно-стыковочного механизма и перемещается по наземным путям в произвольный свободный технологический портал для охлаждения полученного слитка и последующих технологических операций. С электрододержателя центрального стационарного блока демонтируется огарок расходуемого электрода, устанавливается новый расходуемый электрод, и в плавильный блок из любого технологического портала перемещается подготовленный к работе подвижный модуль для следующей плавки. Концентрическое расположение технологических порталов позволяет в каждом из них параллельно производить технологические операции (охлаждение, сборка, разборка комплекта инструмента, подготовка модулей и т.д.) независимо от местоположения портала и этапа технологического процесса, т.е. на каждом технологическом портале появляется возможность осуществлять любую технологическую операцию на любой стадии процесса. Количество подвижных модулей, а соответственно технологических порталов и наземных путей, в зависимости от совокупности операций технологического процесса может быть изменено, в настоящий момент оптимальным соотношением подвижных модулей к стационарному центральному блоку является соотношение 4:1, однако в предлагаемый комплекс возможно введение дополнительных технологических порталов или подвижных модулей для выполнения в них не только технологических, но и ремонтно-профилактических операций. Это позволяет при обслуживании технологических порталов, подвижный модулей и наземных путей осуществлять ремонтно-профилактические мероприятия, не останавливая технологический процесс.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить удобство эксплуатации оборудования и автономность взаимозаменяемых подвижных модулей при одновременном параллельном выполнении основных и вспомогательных технологических операций, осуществлять организационно-технические мероприятия при пуске, наладке, эксплуатации и профилактическом ремонте комплекса без остановки производственного процесса, что, соответственно, увеличивает его производительность.