RU2209842C2 - Metal melting and pouring method - Google Patents

Abstract

FIELD: ferrous metallurgy, in particular, foundry. SUBSTANCE: method involves producing metal melt; providing two-staged refining in successively arranged first and second communicating chambers comprising intermediate vessels with discharge openings; connecting first chamber with second chamber through discharge opening of first intermediate vessel closed with melt for maintaining self-reacting medium in chambers; utilizing heat energy of independent heat sources in second chamber; feeding refined metal melt from second intermediate vessel into cooled crystallizer; obtaining metal melt in first chamber by using electric arc heating process and consumable electrodes remelting process. Method may be used for pouring any metals, including high-melting point metals and reactive metals. EFFECT: wider operational capabilities by utilizing initial remelting process heat, which is not dissipated in metal, for subsequent refining process, and reduced power consumption by using different heating sources in said chambers. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для литья любых металлов, включая тугоплавкие и химически активные. The invention relates to the field of foundry and can be used for casting any metals, including refractory and chemically active.

Известен способ плавки металла в промежуточной емкости с отливкой слитков, при котором происходит хорошее усреднение расплава его очистка и при литье образуется бездефектная кристаллическая структура. Способ включает приготовление расплава в отдельной промежуточной емкости с последующим переливанием и кристаллизацией в изложнице или кристаллизаторе [1]. A known method of melting metal in an intermediate tank with casting ingots, in which there is a good averaging of the melt, its cleaning and during casting a defect-free crystalline structure is formed. The method includes the preparation of the melt in a separate intermediate vessel, followed by transfusion and crystallization in a mold or mold [1].

Методы плавки в промежуточной емкости с отливкой слитков обеспечивают высокую плотность слитков, однородный химический состав и достаточно однородную кристаллическую структуру. Melting methods in an intermediate tank with casting of ingots provide a high density of ingots, a uniform chemical composition and a fairly uniform crystalline structure.

Данный способ нашел применение для изготовления круглых и плоских слитков небольшого сечения [1]. This method has found application for the manufacture of round and flat ingots of small cross section [1].

Наиболее близким техническим решением является способ плавки и литья металла, включающий получение расплава металла и его двухступенчатое рафинирование в последовательно расположенных первой и второй сообщенных камерах, содержащих промежуточные емкости со сливными отверстиями, при этом первую камеру соединяют со второй камерой через сливное отверстие первой промежуточной емкости, перекрытое расплавом для поддержания автономной среды в камерах, во второй камере используют тепловую энергию независимых источников нагрева, отрафинированный расплав металла из второй промежуточной емкости подают в охлаждаемый кристаллизатор [2]. The closest technical solution is a method of melting and casting metal, including obtaining a molten metal and its two-stage refining in successively arranged first and second connected chambers containing intermediate containers with drain holes, the first chamber being connected to the second chamber through a drain opening of the first intermediate container, covered by a melt to maintain an autonomous environment in the chambers, the second chamber uses the thermal energy of independent heat sources, otrafinir vanny metal melt from the second intermediate container is fed into a cooled mold [2].

Задачей изобретения является повышение эффективности использования и расширения технических возможностей. Использование не рассеянного в металле тепла от первоначального переплава при проведении последующего переплава, ступенчатое разделение камер плавления, где можно применять различные источники нагрева, способствует снижению энергетических затрат. The objective of the invention is to increase the efficiency of use and expand technical capabilities. The use of heat not dissipated in the metal from the initial remelting during subsequent remelting, the stepwise separation of the melting chambers, where various sources of heating can be used, helps to reduce energy costs.

Решение поставленной задачи осуществляется за счет того, что расплав металла получают в первой камере за счет электродугового нагрева и переплава расходуемых электродов. The solution to this problem is due to the fact that the molten metal is obtained in the first chamber due to electric arc heating and remelting of the consumable electrodes.

Предложенный способ реализует установка, изображенная на чертеже. Установка включает камеру плавления 1, в которой, например, за счет электродугового нагрева 2 плавятся расходуемые электроды 3, а так же шихта 4, поступающая через загрузочное окно 5, получаемый первый переплав 6 поступает в промежуточную емкость 7. Далее первый переплав 6 сливается во вторую промежуточную емкость 8, где образуется второй переплав 9, за счет, например, независимых источников нагрева 10, установленных во второй камере плавления 11. После приготовления второго переплава 9 расплав сливается в охлаждаемый кристаллизатор 12, где дополнительно может подогревается независимым источником нагрева 10. После кристаллизации образуется слиток 13. The proposed method implements the installation shown in the drawing. The installation includes a melting chamber 1, in which, for example, consumable electrodes 3 are melted due to electric arc heating 2, as well as a charge 4 entering through the loading window 5, the first remelting 6 is supplied to the intermediate tank 7. Next, the first remelting 6 is poured into the second an intermediate tank 8, where a second remelting 9 is formed, due to, for example, independent heat sources 10 installed in the second melting chamber 11. After preparing the second remelting 9, the melt is poured into a cooled mold 12, where tion can preheated independent heating source 10. The ingot 13 is formed after crystallization.

Установка, показанная на чертеже, поясняет работу предлагаемого к реализации в промышленности способа, но может иметь другую компоновку, где большее число камер плавления, различных источников нагрева, кристаллизаторов и т.п. The installation shown in the drawing explains the operation of the method proposed for implementation in industry, but may have a different layout, where a larger number of melting chambers, various heat sources, crystallizers, etc.

Представленное устройство на чертеже применительно к производству слитков из химически активных металлов (типа Ti, Mo, Zr, V, W и т.п.), позволяет использовать защитную атмосферу во всех камерах плавления. Так, например, проводя переплав электродов 3 и шихты 4 в камере плавления 1, за счет электродугового переплава имеется возможность производить переплав по типу способа VADER или в соответствии с другим способом применять один вертикальный электрод и несколько горизонтальных. Тем самым производится первый переплав, где расход электроэнергии примерно на 40% ниже, чем при плавке расходуемого электрода в кристаллизатор. Если использовать подобные методы для прямого получения слитков, то очень трудно избежать неслитин и усадочных раковин. The presented device in the drawing as applied to the production of ingots from chemically active metals (such as Ti, Mo, Zr, V, W, etc.), allows the use of a protective atmosphere in all melting chambers. So, for example, by remelting the electrodes 3 and the charge 4 in the melting chamber 1, due to the electric arc remelting, it is possible to remel in the manner of the VADER method or, in accordance with another method, use one vertical electrode and several horizontal ones. Thus, the first remelting is performed, where the energy consumption is about 40% lower than when melting the consumable electrode into the mold. If you use similar methods for the direct production of ingots, it is very difficult to avoid neslitins and shrinkage shells.

Применительно к представляемому способу плавки и литья использование метода электродугового переплава между несколькими слитками на первой стадии является перспективным, так как данное плавление, происходящее в одном месте камеры, и позволяет, кроме экономии электроэнергии, производить качественную откачку вакуума, кроме того возможно плавить горизонтальные электроды, прочность которых может быть несколько меньше, чем вертикальных. Совместно с плавлением электродов можно плавить подсыпаемую шихту. Для электродов не требуется такого измельчения шихты, как при плавке в глухой кристаллизатор, так как при данном методе переплава происходит достаточное перемешивание лигатуры. In relation to the presented method of melting and casting, the use of the electric arc remelting method between several ingots in the first stage is promising, since this melting, which occurs in one place of the chamber, allows, in addition to saving energy, to produce high-quality vacuum pumping, it is also possible to melt horizontal electrodes, whose strength may be slightly less than vertical. Together with the melting of the electrodes, it is possible to melt the poured charge. The electrodes do not require such grinding of the charge as when melting into a blank mold, since with this method of remelting, sufficient mixing of the ligature takes place.

На первом этапе возможно использовать для переплава электроды и шихту из губчатого материала, где газовыделение максимальное. Полученный расплав 6 в камере плавления 1 стекает по промежуточной емкости 7 во вторую камеру плавления 11. Расплав собирается во второй промежуточной емкости 8, дополнительно рафинируется при втором переплаве за счет, например, независимых источников нагрева 10, т.е. электронно-лучевых пушек, нерасходуемых электродов, лазеров, плазмотронов и т.п. При втором переплаве может достигается более высокая температура расплава, причем во второй камере плавления 11 возможно получение более глубокого вакуума, если применять электронно-лучевой нагрев, чем в первой камере плавления 1. Разница в глубине вакуума достигается из-за независимых вакуумных насосов, которые откачивают самостоятельно первую и вторую камеры плавления. Как известно, для работы электронно-лучевых пушек так же используется самостоятельная вакуумная система, позволяющая в камере электронной лучевой пушки поддерживать вакуум (0,5÷1)•10^-3Пa, когда в камере плавления поддерживается вакуум до 0,5 Па [3] . Разница в вакууме в сообщающихся объемах электронно-лучевой пушки и печи происходит за счет системы диафрагм, ограничивающих проникновение газа из рабочего пространства одной камеры в рабочее пространство другой.At the first stage, it is possible to use electrodes and a mixture of spongy material for remelting, where the gas evolution is maximum. The obtained melt 6 in the melting chamber 1 flows through the intermediate vessel 7 into the second melting chamber 11. The melt is collected in the second intermediate vessel 8, additionally refined during the second remelting, for example, due to independent heat sources 10, i.e. electron beam guns, non-consumable electrodes, lasers, plasmatrons, etc. In the second remelting, a higher melt temperature can be achieved, and in the second melting chamber 11, a deeper vacuum is possible if electron beam heating is used than in the first melting chamber 1. The difference in the vacuum depth is achieved due to independent vacuum pumps that pump out independently the first and second melting chambers. As is known, an independent vacuum system is also used for the operation of electron beam guns, which allows maintaining a vacuum (0.5 ÷ 1) • 10 ^-3 Pa in the electron beam gun chamber, when a vacuum of up to 0.5 Pa is maintained in the melting chamber [3 ]. The difference in vacuum in the communicating volumes of the electron beam gun and the furnace occurs due to the system of diaphragms restricting the penetration of gas from the working space of one chamber into the working space of another.

Используя данный принцип в осуществлении предлагаемого способа, расплав первого переплава из первой камеры плавления, поступая во вторую камеру плавления, перекрывает сообщающее эти камеры отверстие. Поэтому, если во второй камере плавления где, например, используются электронно-лучевые пушки, поддерживается вакуум до 0,5 Па, то в первой камере в соответствии с вышесказанным и возможно поддержание более низкого вакуума, равного 5-Е-500 Па. Сообщающиеся камеры, где может поддерживаться различный вакуум, экономически выгодно использовать для первого переплава исходной шихты с максимальным газовыделением и одновременным переплавом этого же расплава во второй камере, где более глубокий вакуум. Во второй камере возможно применение таких источников нагрева как электронно-лучевые пушки, которые будут очень эффективны при использовании предварительного нагрева от первого переплава. Using this principle in the implementation of the proposed method, the melt of the first remelting from the first melting chamber, entering the second melting chamber, overlaps the opening communicating these chambers. Therefore, if in the second melting chamber where, for example, electron beam guns are used, a vacuum of up to 0.5 Pa is maintained, then in the first chamber, in accordance with the above, it is possible to maintain a lower vacuum of 5-E-500 Pa. Communicating chambers, where a different vacuum can be maintained, is economically advantageous to use for the first remelting of the initial charge with maximum gas evolution and at the same time remelting the same melt in the second chamber, where there is a deeper vacuum. In the second chamber, it is possible to use such heating sources as electron beam guns, which will be very effective when using preheating from the first remelting.

После достижения определенной очистки и выравнивания химического состава расплав сливается в охлаждаемый кристаллизатор и вытягивается в слиток. After reaching a certain cleaning and leveling of the chemical composition, the melt is poured into a cooled mold and drawn into an ingot.

Если расплав не достаточно рафинируется за две ступени переплава, то к установке добавляются последующие дополнительные ступени. В качестве нагревательных источников при дополнительном переплаве, так же могут быть использованы электродуговой переплав, плазменный, электроннолучевой, индукционный, электрошлаковый, лазерный и т.п. Кроме того из промежуточной емкости последней ступени расплав может попадать в несколько кристаллизаторов. If the melt is not sufficiently refined in two stages of remelting, then subsequent additional steps are added to the installation. As heating sources for additional remelting, electric arc remelting, plasma, electron beam, induction, electroslag, laser, etc. can also be used. In addition, from the intermediate tank of the last stage, the melt can enter several crystallizers.

Для расчета экономической эффективности проведем сравнение двух способов выплавки металлов с последующим получением слитков. Одним из хорошо отработанных способов, широко применяемых на сегодня для выплавки слитков из химически активных металлов, считается двойной электродуговой переплав в глухом кристаллизаторе. Принимаем расход электроэнергии на два переплава, равным 100%, при электродуговом переплаве в глухой кристаллизатор. Проведем сравнение с предложенным способом, осуществляемым за счет установки, изображенной на чертеже. Как известно, первый переплав расходует электроэнергию, по типу способа VADER на 40% меньше, чем при электродуговом переплаве в глухой кристаллизатор. Следовательно, на получение расплава при первом переплаве расходуется 30% (в сравнении с 50% первого переплава в глухой кристаллизатор). To calculate the economic efficiency, we will compare two methods of metal smelting with the subsequent production of ingots. One of the well-established methods that are widely used today for the smelting of ingots from chemically active metals is considered to be a double electric arc remelting in a blank mold. We take the energy consumption for two remelting, equal to 100%, with electric arc remelting in a blank mold. Let's compare with the proposed method, carried out by the installation shown in the drawing. As you know, the first remelting consumes electricity; according to the type of the VADER method, it is 40% less than with an electric arc remelting into a blank mold. Consequently, 30% is spent on obtaining the melt during the first remelting (in comparison with 50% of the first remelting in a deaf crystallizer).

Зная, что электронно-лучевой переплав расходует примерно в пять раз больше электроэнергии, чем электродуговой, то в сравнении со вторым переплавом в глухой кристаллизатор потребовалось бы 250% электроэнергии. Но так как при втором переплаве используется оставшееся тепло от первого переплава более чем на 90%, следовательно, необходимо нагреть и поддерживать расплав не более, чем на10%. Следовательно, при использовании электронно-лучевых пушек для второго переплава, необходим расход электроэнергии, равный 25%. (В сравнении со вторым переплавом в глухой кристаллизатор, потребляющем 50% электроэнергии). В общей сложности при сравнении электродугового двойного переплава и предлагаемого способа, осуществляемого за счет двухступенчатого электродугового и электронно-лучевого переплава, расход составляет соответственно 100 к 55%. Т.е. используя предлагаемый способ в двухступенчатом переплаве, получаем более качественный металл и экономим 45% электроэнергии, чем при двойном переплаве в глухом кристаллизаторе. Подобная же экономия будет при использовании предлагаемого способа в двухступенчатом варианте с использованием электродугового и плазменного переплава. Поэтому данный способ является перспективным по сравнению с прототипом и его целесообразно использовать в промышленности. Knowing that electron beam remelting consumes about five times more electricity than electric arc remelting, then in comparison with the second remelting, a deaf crystallizer would require 250% of the electric power. But since during the second remelting, the remaining heat from the first remelting is used by more than 90%, therefore, it is necessary to heat and maintain the melt by no more than 10%. Therefore, when using electron beam guns for the second remelting, an energy consumption of 25% is required. (Compared with the second remelting in a dull mold, consuming 50% of the electric power). In total, when comparing the electric arc double remelting and the proposed method, carried out by a two-stage electric arc and electron beam remelting, the flow rate is respectively 100 to 55%. Those. Using the proposed method in a two-stage remelting, we obtain a better metal and save 45% of electricity than with a double remelting in a blank mold. The same savings will be when using the proposed method in a two-stage version using electric arc and plasma remelting. Therefore, this method is promising in comparison with the prototype and it is advisable to use it in industry.

Сравнение способов:
А. Получение одной тонны титана электродуговым переплавом потребляет (удельный расход электроэнергии по титану 2 кВт•ч/кг) - 2000 кВт.Comparison of methods:
A. The production of one ton of titanium by electric arc remelting consumes (specific power consumption for titanium 2 kW • h / kg) - 2000 kW.

Второй переплав этой же тонны электролучевым способом потребляет (удельный расход электроэнергии по титану 10 кВт•ч/кг) - 10000 кВт. Итого: 12000 кВт. The second remelting of the same ton consumes by the electro-beam method (specific electricity consumption for titanium 10 kW • h / kg) - 10,000 kW. Total: 12,000 kW.

В. Переплав расходуемых слитков электродуговым способом в первой ступени установки на одну тонну титана, потребует - 1200 кВт. B. Remelting consumable ingots by electric arc method in the first stage of installation per ton of titanium will require - 1200 kW.

Второй переплав этой же тонны электролучевым способом во второй ступени установки на одну тонну титана потребует -1000 кВт Итого: 2200 кВт. The second re-melting of the same ton by the electro-beam method in the second stage of installation for one ton of titanium will require -1000 kW Total: 2200 kW.

Предлагаемая к рассмотрению установка, в сравнение со способом А, при том же потреблении электроэнергии сможет переплавлять 5,5 т высококачественного титана, вместо одной тонны титана, выплавляемого способом А. The installation proposed for consideration, in comparison with method A, with the same energy consumption can melt 5.5 tons of high-quality titanium, instead of one ton of titanium smelted by method A.

В данном сравнении не учитывались:
- более высокая скорость плавления;
- сокращение оборудования на перезагрузку;
- снижение затрат на подготовку производства и т.д.This comparison did not take into account:
- higher melting rate;
- reduction of equipment to reboot;
- reduction of costs for the preparation of production, etc.

ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев А.Л. и др. Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. М., Металлургия, 1994 г.LITERATURE
1. Andreev A.L. and others. Titanium alloys. Melting and casting of titanium alloys. M., Metallurgy, 1994

2. Авторское свидетельство 392107, С 22 В 9/22, 27.07.1973. 2. Copyright certificate 392107, C 22 V 9/22, 07.27.1973.

3. Крапухин В. В. Печи для цветных и редких металлов. М.,Металлургия, 1993. 3. Krapukhin VV Furnaces for non-ferrous and rare metals. M., Metallurgy, 1993.

Claims (1)

Способ плавки и литья металла, включающий получение расплава металла и его двухступенчатое рафинирование в последовательно расположенных первой и второй сообщенных камерах, содержащих промежуточные емкости со сливными отверстиями, при этом первую камеру соединяют со второй камерой через сливное отверстие первой промежуточной емкости, перекрытое расплавом для поддержания автономной среды в камерах, во второй камере используют тепловую энергию независимых источников нагрева, отрафинированный расплав металла из второй промежуточной емкости подают в охлаждаемый кристаллизатор, отличающийся тем, что расплав металла получают в первой камере за счет электродугового нагрева и переплава расходуемых электродов. A method of melting and casting metal, including obtaining a molten metal and its two-stage refining in sequentially located first and second connected chambers containing intermediate containers with drain holes, the first chamber being connected to the second chamber through a drain hole of the first intermediate container, which is blocked by the melt to maintain autonomous media in the chambers, in the second chamber use the thermal energy of independent sources of heating, refined metal melt from the second intermediate containers are fed into a cooled mold, characterized in that the molten metal is obtained in the first chamber due to electric arc heating and remelting of the consumable electrodes.