РАСХОДУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОД ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ПЕЧИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CONSUMABLE ELECTRODE FOR VACUUM ARC FURNACE AND METHOD OF MAKING IT

Изобретение относится к электрометаллургии, в частности к расходуемым электродам для выплавки слитков высокореакционных металлов и сплавов, например титановых, методом вакуумного дугового переплава, а также к способу изготовления указанных электродов.
Известен расходуемый электрод для выплавки слитков из титановых сплавов и способ его производства, содержащий взаимно связанные прессованием порционные части кусковых и сыпучих компонентов из титановой губки, лигатуры и возвратных отходов производства. Для улучшения взаимного сцепления между собой отдельных порционных частей электрода их торцевые поверхности выполнены с чередующимися радиальными секторными выступами и впадинами, а также с центральными сферическими выступами и впадинами (Добаткин В.И. и др. Слитки титановых сплавов. - М.: Металлургиздат, 1966, с.46).
Существенным недостатком этого электрода для выплавки слитков является возможность ввода в шихту не более 25-30% отходов, так как при введении большего количества отходов снижается прочность прессованного электрода и возрастает частота случаев разрушений электрода в процессе технологического цикла вакуумной дуговой плавки, приводящие к созданию взрывоопасной ситуации.
Известна конструкция электрода в способе изготовления комбинированного расходуемого электрода для вакуумной дуговой плавки, включающем подготовку шихты, засыпку ее в матрицу пресс-формы, прессование ее и формирование скрепляющей наружной оболочки, при этом наружную скрепляющую цилиндрическую оболочку формируют из листового материала, основной компонент которого входит в состав шихты, и устанавливают ее в матрицу пресс-формы перед засыпкой шихты (Патент РФ №2048274, МПК B22F 7/00, опубл. 1995.11.20).
Конструкция затратная, а способ требует сложных подготовительных технологических операций и практически не может быть использован при изготовлении крупногабаритных электродов.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является расходуемый электрод вакуумной дуговой электропечи, содержащий взаимосвязанные блоки из спрессованных кусковых и сыпучих компонентов шихты, снабженные упрочняющими армирующими элементами, в котором с целью повышения прочности электрода при снижении трудозатрат на изготовление и укладку армирующих элементов армирующие элементы выполнены кольцеобразными с максимальными наружным диаметром, равным или на 10-15% меньшим высоты прессованного блока, с внутренним диаметром, на 5-15% превышающим максимальный диаметр кускового компонента (Патент РФ №2020772, МПК Н05В 7/07, опубл. 1994.09.30) - прототип.
Недостатком известной конструкции является то, что армирующие элементы контактируют со случайно расположенными разнообразными фракциями шихты, отличающимися как по размерам, так и по механическим свойствам (титановая губка, стружка, кусковые отходы), поэтому в процессе прессования они располагаются и ориентируются в теле электрода в хаотичном порядке. Вследствие этого не гарантируется равномерное размещение армирующих элементов, что в свою очередь приводит к возникновению неравнопрочности расходуемого электрода по его длине.
Известен способ полунепрерывного прессования через конусную матрицу в компаундированный электрод для вакуумной дуговой плавки титановых сплавов (Плавка и литье титановых сплавов. / Под ред. В.И.Добаткина, М., Металлургия, 1978, с.265-271, рис.107, 108) - прототип.
Указанный способ позволяет получить достаточно длинный и однородный в поперечном сечении электрод с хорошей поверхностью и допустимой кривизной из сыпучих материалов, отличающихся по форме, плотности, массе, размерам, коэффициенту трения между собой и стенками матрицы.
Недостатком известного способа является ограниченное по объему вовлечение отходов, особенно стружки, при увеличении содержания которой в шихте снижается прочность электрода из-за низкой склонности стружки к спрессовыванию. Эта проблема особенно актуальна при прессовании электродов из высокопрочных титановых сплавов.
Целью изобретения является повышение прочностных характеристик расходуемого электрода и расширение технологических возможностей стандартного оборудования.
Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений, является получение стабильных прочностных характеристик по всей длине расходуемого электрода, увеличение вовлечения отходов, в том числе стружки в шихтовых материалах, при полунепрерывном прессовании расходуемых электродов на стандартном оборудовании, а также повышение взрывобезопасности процесса плавки.
Указанный технический результат достигается тем, что в расходуемом электроде вакуумной дуговой электропечи, содержащем взаимосвязанные блоки из спрессованных кусковых и сыпучих компонентов шихты, все блоки соединены ориентированной пространственной конструкцией, образованной запрессованными армирующими элементами, выполненными в виде арматурных стержней, которые имеют прямолинейный участок, расположенный параллельно оси прессуемого электрода, и криволинейный, направленный к оси, стержни последовательно размещены внахлест в пределах глубины пространства, ограниченного толщиной двух контактирующих блоков.
При повышенных требованиях к химическому составу арматурные стержни выполняются из сплава, который имеет идентичный химический состав составу прессуемого электрода.
Для получения надежного сцепления арматуры с шихтовыми материалами могут применяться стержни с рифленой поверхностью.
Способ изготовления расходуемого электрода вакуумной дуговой электропечи включает засыпку кусковых и сыпучих компонентов шихты в цилиндрически коническую матрицу порциями и прессовку каждой порции шихты пресс-шайбой в блоки, соединенные между собой, одновременно с каждой прессовкой шихты в блоки последовательно запрессовывают арматурные стержни, которые предварительно закрепляют в технологических фиксаторах, установленных в пресс-шайбе, при этом длины выступающих и закрепленных частей стержней равны 0,6-0,9 толщине прессуемого блока, а выступающая часть стержня имеет криволинейный участок, который ориентируют в сторону оси прессуемого электрода.
Заявленное изобретение в отличие от прототипов характеризуется следующей совокупностью существенных отличительных признаков:
- выполнением соединительных связей в виде отдельных арматурных стержней, строго расположенных и оптимально ориентированных во внутреннем пространстве расходуемого электрода, гарантирующих равнопрочность расходуемого электрода по всей его длине,
- повышением пространственной жесткости арматурного каркаса за счет размещения арматурных стержней внахлест и наличия криволинейных участков на стержнях, что позволяет увеличить вовлечение отходов при изготовлении расходуемых электродов в два раза и более,
- способ позволяет использовать с минимальными доработками существующее стандартное оборудование для формирования во внутреннем объеме электрода в процессе его изготовления пространственной конструкции, состоящей из арматурных стержней, с гарантированной геометрической точностью их расположения относительно друг друга,
- способ обеспечивает более равномерное оплавление электрода в сечении, перпендикулярном его продольной оси (в связи с прохождением большей доли электрического тока в осевых зонах (каналах) расположения арматурных стержней, обладающими лучшими токопроводящими свойствами по сравнению с неармированными зонами шихты).
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен расходуемый электрод, на фиг.2 - технологическая схема изготовления электрода, на фиг.3 - вид А на рабочую поверхность пресс-шайбы.
Электрод состоит из прессованных блоков 1, арматурных стержней 2, состоящих из прямолинейного участка 3 и криволинейного 4. Стержни последовательно размещены внахлест, с гарантированной длиной нахлеста 5.
Процесс изготовления расходуемого электрода осуществляется в следующем порядке. При отведенном пресс-штемпеле 6 в технологические фиксаторы 7, размещенные на пресс-шайбе 8, закрепляются арматурные стержни 2 криволинейной частью, ориентированные в направлении к оси прессования. Длина закрепленной и выступающей частей стержня равна 0,6-0,9 толщины блока 9, что, с одной стороны, обеспечивает расположение последовательно прессуемых стержней внахлест относительно друг друга, а с другой, гарантирует их размещение в пределах глубины, ограниченной толщинами двух контактируемых блоков. После загрузки порции шихты производится ее прессование в блок 1, при этом криволинейный участок 4 арматурного стержня 2 прессуемого блока 1 помещается внахлест с прямолинейным участком 3 стержня отпрессованного предыдущего блока. Затем пресс-штемпель 6 отводится, стержни извлекаются из фиксаторов 7. Выступающие на торцах части стержней после формирования электрода удаляются или спрессовываются последней порцией шихты с использованием пресс-шайбы с плоской рабочей поверхностью. Количество одновременно запрессовываемых стержней и место их установки подбираются в зависимости от геометрических размеров прессуемого электрода и конструкции пресс-шайбы. На фиг.3 показан вид на торцевую поверхность пресс-шайбы при прессовании электрода диаметром 515 мм с 12 фиксаторами, установленных по окружности, это позволяет одновременно запрессовывать 12 арматурных стержней.
Конкретный пример изготовления электрода
Была изготовлена партия электродов в количестве 4 шт. на вертикальном гидравлическом прессе мод. Д6150 усилием 10 тыс.тс методом полунепрерывного прессования в конусную проходную матрицу. Диаметр электрода 515 мм, длина 4800 мм, масса 3800 кг, сплав Вт6. Электроды прессовали из губчатого титана с добавлением лигатуры и отходов: 35% стружки; 15% обрези и 8% кусковых. Высота одного прессованного блока равнялась 155±3 мм.
Одновременно запрессовывалось 12 стержней, изготовленных из прутка диаметром 10 мм, из сплава Вт6. Закрепленная часть стержня равнялась 100+10 мм, а выступающая 90+10 мм, криволинейный участок был отогнут на 30 мм. Расчетная величина нахлеста между предыдущими и последующими арматурными стержнями равнялась 35 мм.
Прочностные свойства определяли по величине прогиба электрода при подъеме его траверсой мостового крана в горизонтальном положении. Допустимая величина прогиба не должна превышать 25-30 мм. Фактическая измеренная величина прогиба находилась в пределах 14-21 мм.