RU2215381C1 - Consumable electrode of electric-arc vacuum furnace - Google Patents

Abstract

FIELD: electrometallurgy; smelting ingots from high-reactivity metals and alloys such as titanium and its alloys. SUBSTANCE: consumable electrode built of intercoupled billets has current-conducting member made in the form of rod whose length equals that of consumable electrode and whose cross-sectional area is minimum of S value found from equation S = K x J, where J is arc current, A; K is factor including current density of current-conducting member; K = 0.01 sq. cm/A. Rod is made of wastes of rolled-product, pipe, and forging industries and is disposed inside electrode. Current-conducting member is produced within furnace in the course of welding electrode to cinder. In this way electrometallurgy wastes are recovered without labor consumption and used for producing electrodes of high mechanical strength. EFFECT: enhanced arc current in electrode smelting and reduced explosion hazard of smelting process. 3 cl, 2 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к области электрометаллургии и может быть использовано для плавки высокореакционных металлов и сплавов, в частности для выплавки слитков из титана и его сплавов. The invention relates to the field of electrometallurgy and can be used for melting highly reactive metals and alloys, in particular for the smelting of ingots from titanium and its alloys.

Известен расходуемый электрод для выплавки слитков из титана и его сплавов, 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). Known consumable electrode for smelting ingots from titanium and its alloys, containing mutually interconnected pressing portion parts of bulk and granular components from titanium sponges, ligatures and return waste. To improve the mutual adhesion of the individual batch parts of the electrode to one another, their end surfaces are made with alternating radial sector protrusions and depressions, as well as with central spherical protrusions and depressions (Dobatkin V.I. et al. Titanium alloy ingots. - M .: Metallurgizdat, 1966 , p. 46).

Недостатком такого электрода является низкая механическая прочность из-за слабого сцепления между собой малопластичных кусковых и сыпучих компонентов шихты. Следствием этого является разрушение электрода в ряде случаев при транспортировке и плавлении в других печах, брак слитков, аварийные взрывоопасные ситуации при перемещении горения дуги на стенку кристаллизатора, необходимость выполнения большого объема сварочных работ в защитной от окисления атмосфере по упрочнению электродов путем приварки продольных полосовых накладок к поверхности ослабленных участков электрода. The disadvantage of this electrode is the low mechanical strength due to poor adhesion between the low-plastic lumpy and bulk components of the charge. The consequence of this is the destruction of the electrode in some cases during transportation and melting in other furnaces, defective ingots, emergency explosive situations when moving the arc to the crystallizer wall, the need to perform a large amount of welding work in an atmosphere that is protective against oxidation by hardening the electrodes by welding longitudinal strip overlays to the surface of the weakened sections of the electrode.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является расходуемый электрод вакуумной дуговой электропечи для плавки высокореакционных металлов и сплавов, выполненный из взаимосвязанных посредством сварочных швов заготовок (Гармата В.А. и др. Металлургия титана. - М.: Металлургия, 1968, с.513-514) - прототип. The closest in technical essence to the present invention is a consumable electrode of a vacuum arc furnace for melting highly reactive metals and alloys, made of workpieces interconnected by means of welding seams (Garmata V.A. et al. Metallurgy of titanium. - M .: Metallurgy, 1968, p. 513-514) is a prototype.

В таком электроде сварные швы, соединяющие между собой куски отходов, должны иметь сравнительно большое сечение для обеспечения прохождения рабочего тока дуги без существенного разогрева и расплавления швов до расплавления заготовок. In such an electrode, welds connecting pieces of waste to each other should have a relatively large cross-section to ensure the passage of the working current of the arc without significant heating and melting of the seams before the workpieces melt.

Недостатками электрода являются большая трудоемкость его изготовления при укладке и подгонке кусковых отходов в пределы заданного габарита, а также при сварке их швами достаточного для надежных связей и прохождения электрического тока сечения. Концентрация плотности рабочего тока дуги в сварных швах вызывает более ранний нагрев их, преждевременное расплавление и, как следствие, падение недоплавленных кусков шихты в ванну выплавляемого в кристаллизаторе слитка, что приводит к снижению качества металла, а также создает взрывоопасную ситуацию при отклонении кусков электрода к стенке кристаллизатора во время их плавления, что может вызвать переброс дуги на стенку кристаллизатора и прожог ее. Кроме того, недостатком прототипа является отсутствие возможности вовлекать в состав электрода отходы металла кузнечного, трубного, листо- и сортопрокатного производства. The disadvantages of the electrode are the great complexity of its manufacture when laying and fitting lumpy waste within a given size, as well as when welding them with seams sufficient for reliable connections and the passage of electric current section. The concentration of the working current density of the arc in the welds causes their earlier heating, premature melting and, as a consequence, the fall of unfinished pieces of the mixture into the bath of the ingot melted in the mold, which leads to a decrease in the quality of the metal, and also creates an explosive situation when the pieces of the electrode deviate to the wall mold during their melting, which can cause the transfer of the arc to the wall of the mold and burn it. In addition, the disadvantage of the prototype is the lack of the ability to involve in the composition of the electrode metal waste from forging, pipe, sheet and section rolling.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение механической прочности электрода, повышение силы тока дуги при переплаве электрода за счет формирования токопроводящего элемента из отходов металла кузнечного, прокатного и трубного производств, а также повышение взрывобезопасности процесса плавки. The problem to which this invention is directed is to increase the mechanical strength of the electrode, increase the arc current during remelting of the electrode due to the formation of a conductive element from metal waste from forging, rolling and pipe production, as well as increase the explosion safety of the melting process.

Поставленная задача решается тем, что расходуемый электрод вакуумной дуговой электропечи для плавки высокореакционных металлов и сплавов, состоящий из взаимосвязанных между собой заготовок, согласно изобретению снабжен токопроводящим элементом, выполненным в виде стержня длиной, равной длине расходуемого электрода, и площадью поперечного сечения не менее величины S, которую определяют по выражению: S=К•J, где J - сила тока дуги при плавлении электрода. А; К - коэффициент, учитывающий плотность тока токопроводящего элемента, К=0,01-0,1 см²/A; S - площадь поперечного сечения токопроводящего элемента, см². Стержень изготавливают из отходов прокатного, трубного и кузнечного производства (труб, прутков и полос) и размещают внутри электрода. Токопроводящий элемент изготавливают в вакуумной дуговой печи в процессе приварки электрода к огарку.The problem is solved in that the consumable electrode of a vacuum arc furnace for melting highly reactive metals and alloys, consisting of interconnected billets, according to the invention is equipped with a conductive element made in the form of a rod with a length equal to the length of the consumable electrode and a cross-sectional area of at least S , which is determined by the expression: S = K • J, where J is the arc current strength during electrode melting. A; K is a coefficient taking into account the current density of the conductive element, K = 0.01-0.1 cm ² / A; S is the cross-sectional area of the conductive element, cm ² . The rod is made from waste from rolling, pipe and forging production (pipes, rods and strips) and placed inside the electrode. The conductive element is made in a vacuum arc furnace during welding of the electrode to the cinder.

Необходимая площадь поперечного сечения токопроводящего элемента, обеспечивающая стабильный процесс переплава электрода достигается количеством размещенных в центре электрода отходов в виде труб, прутков и полос и зависит от силы тока дуги, на которой ведется переплав электрода. The required cross-sectional area of the conductive element, providing a stable process of remelting the electrode, is achieved by the amount of waste placed in the center of the electrode in the form of pipes, rods and strips and depends on the strength of the arc current on which the electrode is remelted.

Коэффициент К выбран с учетом обеспечения необходимой механической прочности электрода (в том числе токопроводящего элемента), исключающий нагрев, деформацию и разрушение электрода во время его плавления. The coefficient K is selected taking into account the necessary mechanical strength of the electrode (including the conductive element), excluding heating, deformation and destruction of the electrode during its melting.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых схематично показан процесс формирования заявленного расходуемого электрода. На фиг.1:
а - отходы прокатного производства в виде обрези прутков 1, скрепленных между собой прерывистым сварочным швом 2 в форме кольца с пустотой в центре (заготовка будущего электрода).The invention is illustrated by graphic materials, which schematically shows the process of forming the claimed consumable electrode. In figure 1:
a - rolling stock waste in the form of a cut-off of the rods 1, fastened together by an intermittent welding seam 2 in the form of a ring with a void in the center (blank of the future electrode).

б - расходуемый электрод, собранный из подготовленных заготовок с размещенным внутри цельным стержнем 4 (токопроводящий элемент). Заготовки электрода по вертикали скреплены полосами 3, приваренными прерывистым сварочным швом. b - consumable electrode assembled from prepared blanks with a solid rod 4 (conductive element) placed inside. The electrode blanks are vertically fastened with strips 3 welded with an intermittent weld.

На фиг.2:
в - расходуемый электрод с размещенными в центре прутками и полосами 5, имеющими длину больше длины электрода, собранный в кристаллизаторе 6 печи.In figure 2:
in - consumable electrode with the rods and strips 5 located in the center, having a length greater than the length of the electrode, collected in the mold 6 of the furnace.

г - расходуемый электрод с заплавленным токопроводящим элементом, приваренный к огарку (в кристаллизаторе печи). g - consumable electrode with a molten conductive element welded to the cinder (in the mold of the furnace).

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- становится возможным использование отходов прокатного, трубного, кузнечного производства без существенных затрат труда на их переработку;
- обеспечивается необходимая механическая прочность электрода при его плавлении за счет снижения количества сварных швов и их возможного разрушения в процессе плавки;
- обеспечивается возможность повышения тока дуги при плавлении электрода за счет стабильного протекания тока через токопроводящий элемент;
- повышается взрывобезопасность процесса плавки благодаря высокой прочности и токопроводности электрода.The technical result achieved by the implementation of the invention is as follows:
- it becomes possible to use waste rolling, pipe, forging production without significant labor costs for their processing;
- provides the necessary mechanical strength of the electrode during its melting by reducing the number of welds and their possible destruction during the melting process;
- it is possible to increase the arc current during electrode melting due to the stable flow of current through the conductive element;
- increases the explosion safety of the melting process due to the high strength and conductivity of the electrode.

Пример 1. Расходуемый электрод изготавливали из отходов сортопрокатного производства, используя обрезь прутков титанового сплава Вт6 диаметром 120 мм длиной 150-180 мм, которые собрали в форме кольца с пустотой в середине (фиг. 1а). Отходы соединили между собой прерывистым сварочным швом (точечная сварка). Получили заготовки для формирования будущего электрода. В качестве токопроводящего элемента был взят стержень из прутка того же сплава длиной 2000 мм (соответствует длине будущего электрода), диаметром 100 мм, который является оптимальным для прохождения тока дуги 7850 А, на котором плавили электрод (коэффициент К=0,01 см²/А). Стержень поместили в центральную часть изготовленного кольца. Остальные кольца разместили по всей длине токопроводящего элемента, приваривая их к элементу точечной сваркой. Для лучшей механической прочности собранный электрод по вертикали соединили пластинами (листовые отходы), которые приварили точечной сваркой (фиг.1б). Изготовленный расходуемый электрод переплавили в вакуумной дуговой электропечи ВД-650 по существующей технологии. Полученный слиток имел соответствующие техническим условиям качество и химический состав и был направлен на дальнейшую переработку.Example 1. A consumable electrode was made from section rolling waste, using a trim of bars of titanium alloy W6 with a diameter of 120 mm and a length of 150-180 mm, which were assembled in the form of a ring with a void in the middle (Fig. 1a). Waste was interconnected by intermittent weld (spot welding). Received blanks for the formation of the future electrode. As a conductive element, a rod from a rod of the same alloy with a length of 2000 mm (corresponding to the length of the future electrode), a diameter of 100 mm, which is optimal for passing an arc current of 7850 A, on which the electrode was melted (coefficient K = 0.01 cm ² / A). The rod was placed in the central part of the manufactured ring. The remaining rings were placed along the entire length of the conductive element, welding them to the element by spot welding. For better mechanical strength, the assembled electrode was vertically connected by plates (sheet waste), which were welded by spot welding (Fig.1b). The manufactured consumable electrode was remelted in a vacuum arc furnace VD-650 according to the existing technology. The obtained ingot had the quality and chemical composition that corresponded to the technical conditions and was sent for further processing.

Пример 2. Предлагаемый расходуемый электрод формировали в кристаллизаторе печи. Для этого отходы прутков диаметром 110 мм длиной 100-200 мм из титанового сплава Вт1-0 подготовили в форме кольца, как в примере 1. Заготовки электрода установили на поддон кристаллизатора на высоту 1200 мм, равной высоте будущего электрода. Затем в центральную пустую часть заготовок поместили отходы в виде трубок, прутков и полос высотой 1300-1400 мм до заполнения пустого пространства, Затем в вакууме произвели в течение 20 мин сплавление выступающих концов токопроводящего элемента на токе дуги 10 кА. Жидкий металл, стекая в зазоры в центральной части электрода, образовал цельный токопроводящий элемент сечением S=380 см². Полученный электрод переплавили по действующей технологии в вакуумной дуговой печи на силе тока дуги 8 кА (коэффициент К=0,0475). Выплавленный слиток направили на дальнейшую переработку.Example 2. The proposed consumable electrode was formed in the mold of the furnace. To do this, the waste rods of 110 mm in diameter 100-200 mm long from titanium alloy W1-0 prepared in the form of a ring, as in example 1. The electrode blanks were installed on the mold tray to a height of 1200 mm, equal to the height of the future electrode. Then, waste in the form of tubes, rods and strips with a height of 1300-1400 mm was placed in the central empty part of the blanks until the empty space was filled. Then, in a vacuum, the protruding ends of the conductive element were fused at an arc current of 10 kA. The liquid metal flowing into the gaps in the central part of the electrode formed a solid conductive element with a cross section of S = 380 cm ² . The resulting electrode was remelted according to the existing technology in a vacuum arc furnace at an arc current of 8 kA (coefficient K = 0.0475). The smelted ingot was sent for further processing.

Claims (3)

1. Расходуемый электрод вакуумной дуговой электропечи для плавки высокореакционных металлов и сплавов, состоящий из взаимосвязанных заготовок, отличающийся тем, что он снабжен токопроводящим элементом, выполненным в виде стержня длиной, равной длине расходуемогo электрода, и площадью поперечного сечения не менее величины S, которую определяют по выражению
S= К•J,
где J - ток дуги плавления электрода, А;
К - коэффициент, учитывающий плотность тока в токопроводящем элементе, К= 0,01-0,1 см²/А.1. Consumable electrode of a vacuum arc furnace for melting highly reactive metals and alloys, consisting of interconnected billets, characterized in that it is equipped with a conductive element made in the form of a rod with a length equal to the length of the consumable electrode and a cross-sectional area of at least S, which is determined by expression
S = K • J,
where J is the current of the arc of melting of the electrode, A;
K is a coefficient taking into account the current density in the conductive element, K = 0.01-0.1 cm ² / A. 2. Расходуемый электрод по п. 1, отличающийся тем, что стержень изготавливают из отходов прокатного, трубного и кузнечного производства и размещают внутри электрода. 2. A consumable electrode according to claim 1, characterized in that the rod is made from waste from rolling, pipe and forging production and placed inside the electrode. 3. Расходуемый электрод по п. 1 или 2, отличающийся тем, что токопроводящий элемент изготавливают непосредственно в вакуумной печи в процессе приварки электрода к огарку. 3. A consumable electrode according to claim 1 or 2, characterized in that the conductive element is made directly in a vacuum furnace during welding of the electrode to the cinder.

Images