СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГОЙ ПРИ ВАКУУМНОМ ДУГОВОМ ПЕРЕПЛАВЕ
METHOD TO CONTROL ELECTRIC ARC DURING VACUUM-ARC REMELTING

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков преимущественно из титановых сплавов.
В настоящее время основным способом промышленного производства высокореакционных металлов и сплавов является вакуумный дуговой переплав расходуемого электрода. Несмотря на то, что вакуумные дуговые печи (ВДП) используются давно в промышленном масштабе, постоянно ведется поиск оптимальных соотношений между основными режимами работы ВДП, продолжаются исследования параметров вакуумной электрической дуги, совершенствуются способы контроля режимов работы, что существенно влияет на воспроизводимость процесса и качество металла.
При производстве слитков из титановых сплавов наряду с общими закономерностями, присущими процессам получения слитков методом вакуумного дугового переплава, имеются свои характерные черты, которые накладывают особенности на процесс производства слитков.
В процессе плавки в вакуумной дуговой печи выше уровня ванны жидкого металла образуется гарнисаж, т.н. «корона», состоящая из застывших капель металла. Этот гарнисаж в дальнейшем образует пористый слой слитка. Образование «короны» связано с разбрызгиванием металла из струек стекающего расплава в результате процессов магнитогидродинамической неустойчивости. В результате образуются поверхностные дефекты типа неслитин, раковин, наплывов, непроплавов, представляющие собой различные негерметичные несплошности, развивающиеся в процессе последующей пластической деформации. Обработка боковой поверхности слитка, вызванная низким качеством периферийных зон сечения слитка, является малопроизводительной и трудоемкой операцией, связанной с большими потерями металла и значительными затратами. Снижение затрат на обработку дефектной поверхности слитков возможно посредством применения более прогрессивного металлообрабатывающего оборудования. Однако оптимальным путем, предотвращающим причины образования поверхностных дефектов, является совершенствование технологии переплава слитков с использованием магнитных полей.
Известен способ вакуумного дугового переплава расходуемого электрода на основе губчатого титана, включающий воздействие на дугу магнитным полем (а.с. СССР №456000, опубл. 05.01.1975 г.). В известном способе для обеспечения надежного электрического контакта между наплавляемой частью слитка и кристаллизатором в процессе переплава дугу периодически смещают в зазор между краем электрода и кристаллизатором путем отключения магнитного поля через интервал 2÷10 сек. Недостатками известного способа являются пониженный выход годного из-за непроплава боковой поверхности слитков и относительно низкой однородности химического состава.
Известен способ контроля и стабилизации межэлектродного промежутка в процессе плавки в вакуумной дуговой печи, включающий измерение напряжения на электрической дуге и регулирование положения расходуемого электрода относительно выплавляемого слитка, при этом в известном способе измерение напряжения на электрической дуге осуществляют в момент нахождения ее в центральной части торцевой поверхности электрода и воздействуют на электрическую дугу и расплав аксиальным магнитным полем и радиальным вращающимся магнитным полем. (Патент РФ №2425156, опубл. 27.03.2011 - прототип). Недостатком прототипа является нестабильность процесса получения качества слитков из-за малого количества регулируемых параметров ведения плавки.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение качества поверхности выплавляемых слитков с высокой воспроизводимостью процесса.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является создание управляемого перемещения дуги по поверхности ванны жидкого металла.
3
3
3
3
Технический результат достигается тем, что в способе управления электрической дугой при вакуумном дуговом переплаве слитков из высокореакционных металлов и сплавов, включающем воздействие на электрическую дугу знакопеременными магнитными полями различной ориентации, согласно изобретению на электрическую дугу одновременно осуществляют циклическое воздействие аксиальным магнитным полем с напряженностью 0,3×10÷7,0×10 A/м, периодом 2÷60 сек, паузой 0,1÷20 сек, а также радиальным вращающимся магнитным полем с напряженностью 0,4×10÷4,0×10 A/м, частотой переключения 0,0÷1 Гц, сменой направления вращения поля после 0,5÷20 оборотов. Радиальное вращающееся магнитное поле формируют посредством 4÷10 параллельных катушек, подключенных к управляющему источнику питания и расположенных на наружной поверхности кристаллизатора.
3
3
Весьма важными технологическими параметрами для вакуумного дугового переплава являются влияние на поведение плазмы дуги и управление ванной расплавленного металла. Наиболее действенным инструментом в этой области является применение знакопеременных магнитных полей. В процессе вакуумного дугового переплава на электрическую дугу воздействуют аксиальным (вертикальным) магнитным полем. Аксиальное магнитное поле позволяет концентрировать плазму дуги и придавать ей заданное направление движения. Аксиальное магнитное поле фокусирует основную дугу под торцом расходуемого электрода и вращает расплав. При этом интенсифицируется теплопередача в жидкой ванне металла, вследствие чего тепловые нагрузки на стенку кристаллизатора в контактном поясе увеличиваются, что способствует улучшению проплава поверхностных слоев слитка. Параметры аксиального магнитного поля определены экспериментальным путем и зависят от типоразмера плавильного инструмента с учетом особенностей сплавов. Наиболее удовлетворительные результаты плавки достигаются при напряженности аксиального магнитного в интервале 0,3×10÷7,0×10 A/м. При воздействии аксиальным магнитным полем с напряженностью ниже указанного интервала возрастает риск возникновения взрывоопасной ситуации из-за неконтролируемости дуги, а напряженность аксиального магнитного поля свыше указанного интервала приводит к увеличению разбрызгивания расплава, понижению стабильности процесса, и, соответственно, увеличению толщины и высоты «короны». Время периода воздействия аксиального магнитного поля 2÷60 сек выбрано из условия стабильности горения дуги и контролируемости процесса плавки. Пауза между периодами воздействия 0,1÷20 сек снижает риск возникновения аварийной ситуации, предотвращая выход дуги на боковую поверхность кристаллизатора. При указанном воздействии аксиального магнитного поля интенсифицируется теплопередача в жидкой ванне металла, вследствие чего тепловые нагрузки на стенку кристаллизатора в контактном поясе увеличиваются, что способствует улучшению проплава поверхностных слоев слитка.
При дополнительном воздействии вращающегося радиального магнитного поля дуга смещается в кольцевой зазор между краем электрода и кристаллизатора и перемещается по кольцевому зазору, при этом анодное пятно двигается по расплаву металла, не перемещаясь на стенку кристаллизатора. Соответствующим управлением дугу перемещают в направлении, встречном круговому движению расплава. Воздействие на дугу вращающимся горизонтальным магнитным полем одновременно с постоянным вертикальным магнитным полем приводит к тому, что сфокусированная дуга, постоянно перемещающаяся по кольцевому зазору, равномерно проплавляет периферийную область ванны жидкого металла и сплавляет образующуюся «корону».
3
3
В свою очередь, равномерный проплав периферии ванны жидкого металла обеспечивает получение литой поверхности слитка высокого качества, не требующей дальнейшей механической обработки. Интервал напряженности радиального вращающегося магнитного поля 0,4×10÷4,0×10 А/м обусловлен параметрами бокового разряда, т.к низкая напряженность вызывает неустойчивый боковой разряд, а напряженность свыше верхнего значения интервала вызывает вращение расплава с интенсивностью выше требуемой. Частота переключения вращающегося радиального магнитного поля 0,01÷1 Гц обеспечивает эффективное воздействие радиального вращающегося поля, т.к. при частоте менее 0,01 Гц не обеспечивается равномерный прогрев зеркала ванны жидкого металла, приводящий к образованию микротрещин по образующей слитка, а при частоте свыше 1 Гц наблюдается нарушение синхронизации дуги и поля, вызывающее аварийную ситуацию. После осуществления 0,5÷20 оборотов вращения поля направление вращения поля меняют на противоположное. Количество оборотов вращения радиального магнитного поля определено опытным путем и обусловлено размерами плавильного инструмента.
С целью обеспечения равномерного вращения и оптимального размещения плавильного оборудования радиальное магнитное поле формируют посредством 4÷10 параллельных катушек, подключенных к управляющему источнику питания и расположенных на наружной поверхности кристаллизатора.
Промышленная применимость заявленного изобретения подтверждается примером конкретного выполнения.
3
3
В вакуумной печи ДТВ 8,7-Г10 производили выплавку слитка из титанового сплава ПТ-3В диаметром 800 мм и массой 6000 кг. Литой электрод диаметром 700 мм помещали на поддон диаметром 800 мм. Между торцом расходуемого электрода и поддоном возбуждали электрическую дугу. Далее производили прогрев нижнего торца расходуемого электрода на 10 кА в течение 12 минут и плавно в течение 25 минут ток дуги поднимали до рабочей величины 28 кА и плавили в течение 330 минут. Во время плавки на электрическую дугу воздействовали аксиальным магнитным полем напряженностью 3,0×10 A/м, периодом 7 секунд и паузой 3 секунды. Для вывода дуги на периферию ванны жидкого металла на электрическую дугу воздействовали вращающимся горизонтальным магнитным полем напряженностью 2,6×10 A/м, частотой 0,4 Гц, количеством оборотов дуги одного направления вращения - 1,5. Далее плавку производили в штатном режиме. В завершении плавления литого расходуемого электрода проводили выведение усадочной раковины в течение 180 минут.
Выплавленный слиток отвечал всем требованиям нормативно-технической документации. Поверхность слитка не требовала дополнительной обработки.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет стабилизировать и улучшить качество проплава боковой поверхности слитков и увеличить выход годного до 1,5%.