RU2401477C2 - Volkov's method of producing chemically active metals and application of vertical stationary "vsp" plasma generator - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy. ^ SUBSTANCE: proposed method comprises arcing on electrode, generating plasma jet by gas and arc concentration in the nozzle and electromagnetic field that heats formed metal. It differs from known procedures in that plasma generator nozzle is protected by melting of reduced or under reduced metal flowing on over it from consumable electrode or pouted thereon separately. Note here that its thickness is adjusted by melting conditions due to current polarity reversal on electrode, nozzle and formed metal. Note also that gas for plasma is produced in arcing zone due to evacuation through metal ingot formation zone located under the nozzle. Proposed device comprises arcing on electrode and cooled tray, compressing arc into plasma to heat melt formed in cooled crystalliser, and differs from known designs in that tray central part has an opening that makes it a nozzle whereto minus or zero can be connected, and solenoid can be arranged there around to rotate around it the melt of reduced or under reduced metal, leveling its thickness, hence, protecting it against thermal load. Inductor can be arranged below the nozzle to add to plasma heating and prevent metal melt freezing on the nozzle, and to concentrate metal melt flow. Note that cooled crystalliser can represent sliding crystalliser that allows retaining bath mirror at one distance from nozzle edge, that is, not interfering with plasma generator operation. Note also that ingot pull-out device can be used. ^ EFFECT: stable discharge in gas flow, ease of power regulation, high concentration of energy. ^ 5 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области производства химически активных металлов из рудного сырья и других соединений и может быть использовано для рафинирования любых металлов, включая химически активные и тугоплавкие металлы от неметаллических примесей и металлов.The present invention relates to the production of chemically active metals from ore raw materials and other compounds and can be used for refining any metals, including chemically active and refractory metals from non-metallic impurities and metals.

В качестве первого аналога можно принять Кембриджский процесс [1] (Научно-технический журнал "Титан" №2(19) 2006 г., стр.9-10) электрохимического восстановления титана из двуокиси титана. Данный процесс включает производство электродов из TiO₂, которые, окисляясь в электролизе, выделяют кислород, одновременно на катоде идет восстановление чистого титана.The Cambridge process [1] (Scientific and technical journal "Titan" No. 2 (19) 2006, p. 9-10) of the electrochemical reduction of titanium from titanium dioxide can be taken as the first analogue. This process involves the production of electrodes from TiO ₂ , which, when oxidized in the electrolysis, produce oxygen, while pure titanium is being reduced at the cathode.

Вторым аналогом можно принять процесс плазмохимического синтеза двуокиси титана из его хлорида в пламени плазматрона [2] (А.Н.Зеликман. Металлургия тугоплавких редких металлов. - Москва: Из-во "Металлургия", 1986, стр.343).The second analogue can be adopted the process of plasma-chemical synthesis of titanium dioxide from its chloride in a plasma torch flame [2] (A.N. Zelikman. Metallurgy of refractory rare metals. - Moscow: Izd. Metallurgy, 1986, p. 343).

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является японский способ плазменного карботермического восстановления ниобия в дуговом плазматроне [2], (стр.268). Плазменные печи по существу представляют собой электродуговые печи с большей плотностью тепловой энергии на переплавляемом металле. Достоинствами плазматронов как нагревательных элементов являются стабильность разряда в газовом потоке, хорошая регулируемость мощности, возможность получения высоких температур, большая концентрация энергии. В Японии разработан способ, где цилиндрические заготовки, спрессованные из шихты, состоящей из Nb₂O₅+5С или Nb₂O₅+5NbC, помещают в водоохлаждаемый медный тигель, служащий анодом. Катод - графитовый. Шихту нагревают в аргоно-водородной плазме (5%Н₂ в смеси Ar). При температуре выше 2650°С восстановление протекает быстро с получением чернового ниобия, который рафинирует электронно-лучевой плавкой.The closest technical solution adopted as a prototype is the Japanese method of plasma carbothermic reduction of niobium in an arc plasmatron [2], (p. 268). Plasma furnaces are essentially electric arc furnaces with a higher density of thermal energy on the molten metal. The advantages of plasmatrons as heating elements are the stability of the discharge in the gas stream, good adjustable power, the ability to obtain high temperatures, a large concentration of energy. In Japan, a method has been developed where cylindrical billets pressed from a charge consisting of Nb ₂ O ₅ + 5C or Nb ₂ O ₅ + 5NbC are placed in a water-cooled copper crucible serving as an anode. The cathode is graphite. The mixture is heated in argon-hydrogen plasma (5% H ₂ in a mixture of Ar). At temperatures above 2650 ° C, the recovery proceeds quickly to obtain a rough niobium, which is refined by electron beam melting.

Поставленная цель достигается тем, что известный способ вертикально-стационарного плазматрона включает горение дуги на электроде, формирование плазменной струи за счет газа и концентрации дуги в сопле и электромагнитном поле, обогревающей формируемый металл, отличается тем, что в этом плазматроне защита сопла происходит за счет расплава восстановленного или недовосстановленного металла, стекаемого по нему с расходуемого электрода или подсыпаемого на сопло отдельно, а его толщина регулируется режимами плавления за счет переполюсовки тока на электроде, сопле и формируемом металле, при этом газ для плазмы образуется в зоне горения дуги над соплом за счет откачки вакуума через зону формирования слитка металла, находящуюся под соплом. Вертикально-стационарный плазматрон может работать по принципу косвенного, прямого и переменного действия, при этом электрод является анодом, на котором выделяется кислород и другие газы, а слиток металла - катодом, где восстанавливается металл электрохимически, плазмохимически и металлотермически. Для усиления тепловой мощности плазмы газ может нагнетаться в дуговой разряд дополнительно, для усиления восстановления металла из полости ниже сопла проводят глубокую откачку вакуума. Устройство вакуумно-стационарного плазматрона включает горение дуги на электроде и охлаждаемом поддоне, сжатие дуги в плазму, которая подогревает расплав, формируемый в охлаждаемом кристаллизаторе, отличается тем, что поддон в центральной части имеет отверстие, что переводит его в сопло, на которое может быть подключен минус или ноль, а вокруг него может быть установлен соленоид, вращающий по его поверхности расплав восстановленного и невосстановленного металла, выравнивая его толщину и защищая его от тепловой нагрузки. Под соплом может быть расположен индуктор, дополнительно разогревающий плазму, препятствующий намерзанию на сопло расплава металла и концентрирующий его поток, а охлаждаемый кристаллизатор может быть выполнен в виде скользящего кристаллизатора, позволяющим удерживать зеркало ванны расплава на одном расстоянии от среза сопла, то есть не нарушая технологическую работу плазматрона, при этом для установки может использоваться вытягивающее устройство слитка с перехватом и поперечным вращением.This goal is achieved in that the known method of a vertically stationary plasmatron includes burning an arc on an electrode, forming a plasma jet due to gas and arc concentration in the nozzle and the electromagnetic field that heats the metal being formed, characterized in that the nozzle is protected in this plasmatron by melt reduced or underreduced metal flowing down it from the consumable electrode or poured onto the nozzle separately, and its thickness is regulated by melting modes due to polarity reversal current on the electrode, nozzle and the metal being formed, while plasma gas is formed in the arc burning zone above the nozzle due to vacuum pumping through the metal ingot formation zone located under the nozzle. A vertically stationary plasmatron can operate on the principle of indirect, direct and variable action, with the electrode being the anode on which oxygen and other gases are released, and the metal ingot the cathode, where metal is restored electrochemically, plasmochemically and metallothermally. To enhance the thermal power of the plasma, the gas can be injected into the arc discharge additionally, to enhance the recovery of metal from the cavity below the nozzle, a deep vacuum pumping is performed. The device of the vacuum-stationary plasma torch includes arc burning on the electrode and the cooled tray, compressing the arc into a plasma that heats the melt formed in the cooled mold, characterized in that the tray has a hole in the central part, which transfers it to a nozzle, which can be connected minus or zero, and around it a solenoid can be installed, rotating the melt of the reduced and unreduced metal on its surface, leveling its thickness and protecting it from heat load. An inductor can be located under the nozzle, additionally heating the plasma, preventing the molten metal from freezing on the nozzle and concentrating its flow, and the cooled mold can be made in the form of a sliding mold, which allows the mirror of the molten bath to be kept at the same distance from the nozzle exit, that is, without disturbing the technological the operation of the plasmatron, while an ingot pulling device with interception and lateral rotation can be used for installation.

Предложенный способ реализует установка, представленная на фиг.1. Установка включает камеру плавления 1, в которой плавится за счет дуги 6 расходуемый электрод 2 на охлаждаемом поддоне 3, который имеет воронкообразную форму и центральное отверстие 24, которое служит соплом плазматрона. На поддон, выполняющий функцию нижней части камеры плазматрона, можно подключать как положительный, так и отрицательный полюс, а также полностью делать его нейтральным. Расплав на поддоне перемешивается за счет соленоида 23, охватывающего зону дугового обогрева. Расплав металла 8, стекая с электрода 2, образует на поддоне 3 слой гарнисажа 7 и стекает далее в скользящий кристаллизатор 4, где формируется слиток 5, который в свою очередь вытягивается штоком 16. Вытяжка слитка 5 может происходить одновременно с вращением, передаваемым так же через шток 16. Расходуемый электрод 2 перемещается с помощью держателя 14, к которому подключается положительный полюс. Для герметизации держатель 14 установлен в скользящие уплотнения 18. Для плавления металла в газовой среде к верхней камере подсоединены трубопровод 12 и клапан 13. Изоляционные прокладки 19 отделяют верхнюю камеру 1, поддон 3 и нижнюю камеру 11, к которой подсоединен трубопровод 15, через который откачивается газ, скапливающийся в верхней камере, создавая плазменную струю. Слиток 5 со штоком 16 подключаются к отрицательному полюсу или нейтрали. Стабилизация дуги обеспечивается соленоидом 10, а также индуктором 22, который может дополнительно подогревать плазму и центровать ее направление.The proposed method implements the installation shown in figure 1. The installation includes a melting chamber 1, in which a consumable electrode 2 is melted due to an arc 6 on a cooled tray 3, which has a funnel-shaped shape and a central hole 24, which serves as a nozzle of the plasmatron. Both the positive and negative poles can be connected to the pallet, which serves as the lower part of the plasmatron chamber, and also completely neutral. The melt on the pan is mixed due to the solenoid 23, covering the zone of arc heating. The molten metal 8, flowing down from the electrode 2, forms a skull layer 7 on the pallet 3 and then flows into the sliding mold 4, where an ingot 5 is formed, which in turn is pulled by the rod 16. The ingot 5 can be drawn simultaneously with the rotation, which is also transmitted through rod 16. The consumable electrode 2 is moved using the holder 14, which connects the positive pole. For sealing, the holder 14 is installed in the sliding seals 18. For melting the metal in a gas medium, a pipe 12 and a valve 13 are connected to the upper chamber. Insulating gaskets 19 separate the upper chamber 1, the pallet 3 and the lower chamber 11, to which the pipe 15 is connected, through which it is pumped gas accumulating in the upper chamber, creating a plasma jet. An ingot 5 with a rod 16 is connected to the negative pole or neutral. Arc stabilization is provided by a solenoid 10, as well as an inductor 22, which can additionally heat the plasma and center its direction.

На Фиг.1 изображена модификация установки, где в качестве источника восстанавливаемого металла служит расходуемый электрод. Он может состоять из чернового металла, загрязненного неметаллическими примесями или легкокипящими металлами, загрязняющими основной металл. Также электрод может быть сформирован из окислов восстанавливаемого металла и металла восстановителя. Например, TiO₂ может быть спрессован с порошком Al (Ca, Mg, Na и т.д.). При горении дуги на спрессованном электроде начнутся металлотермические реакции восстановления основного металла из оксидов титана, что в общем виде может быть представлено уравнением:Figure 1 shows a modification of the installation, where a consumable electrode is used as the source of the reduced metal. It may consist of crude metal contaminated with non-metallic impurities or low boiling metals that pollute the base metal. Also, the electrode may be formed from oxides of a reduced metal and a metal of a reducing agent. For example, TiO ₂ can be compressed with Al powder (Ca, Mg, Na, etc.). When burning an arc on a compressed electrode, metallothermal reactions will begin to reduce the base metal from titanium oxides, which in general form can be represented by the equation:

Электрод, сплавляясь под действием дуги и металлотермической реакции, будет защищать медное охлаждаемое сопло продуктами восстановления металла. Кроме того, электрод, будучи анодом, на своей поверхности будет окислять кислород до газового состояния, удаляя его из TiO₂. Расплав образуемого титана и Al₂O₃, попадая в узкую часть сопла, дополнительно нагревается до высоких температур, а проходя сквозь индуктор, может ионизироваться. При этом титан, попадая в скользящий кристаллизатор, охлаждается и переходит в расплав, дополнительно освобождаясь от кислорода, за счет того что расплав, а затем формируемый слиток являются катодом, где протекают реакции электрохимического восстановления металла. Соединение Al₂O₃ (CaO, MgO и т.д.) под действием высокой температуры может ионизироваться, при этом кислород может удаляться в виде газа, а алюминий, будучи более легкокипящим металлом, может испаряться из металлической ванны слитка. Процесс восстановления TiO₂, если из него сформировать электрод (по типу Кембриджского процесса), может протекать без добавления металлов восстановителей за счет высоких температур и электрохимических реакций. Черновые слитки также рафинируются от газовых и металлических примесей по вышеприведенной схеме.The electrode, fused under the action of an arc and a metallothermic reaction, will protect the copper cooled nozzle with metal reduction products. In addition, the electrode, being an anode, on its surface will oxidize oxygen to a gas state, removing it from TiO ₂ . The molten titanium and Al ₂ O _{3 formed} , falling into the narrow part of the nozzle, are additionally heated to high temperatures, and passing through the inductor can be ionized. In this case, titanium, entering the sliding crystallizer, cools and passes into the melt, additionally being released from oxygen, due to the fact that the melt, and then the formed ingot, are the cathode where the electrochemical reduction of the metal proceeds. The compound Al ₂ O ₃ (CaO, MgO, etc.) under the influence of high temperature can ionize, while oxygen can be removed in the form of gas, and aluminum, being a more boiling metal, can evaporate from the metal bath of the ingot. The TiO ₂ reduction process, if an electrode is formed from it (similar to the Cambridge process), can proceed without the addition of metal reducing agents due to high temperatures and electrochemical reactions. Draft ingots are also refined from gas and metal impurities according to the above scheme.

На Фиг.2 изображена установка, в которой в качестве электрода 2 применяется углерод, который одновременно служит нагревательным элементом, а также элементом восстановителем для металлов, находящихся в различных соединениях 26, которые поступают под дуговой разряд по желобу 25. Так, например, за счет графитового электрода можно восстановить металл из окиси. Для этого необходимо снижение давления над расплавом [3], (стр.118), что приводит в результате взаимодействия с углеродом к частичному или полному разрушению окислов:Figure 2 shows the installation in which carbon is used as electrode 2, which simultaneously serves as a heating element, as well as a reducing element for metals in various compounds 26, which come under an arc discharge through the groove 25. So, for example, due to a graphite electrode can recover metal from oxide. This requires a decrease in pressure over the melt [3], (p. 118), which leads to partial or complete destruction of oxides as a result of interaction with carbon:

То есть чем ниже давление над расплавом, тем меньше в металле остается оксидных включений. Менее прочные включения, такие, например, как MnO, Cr₂O₃ или Nb₂O₅, восстанавливаются углеродом в вакууме почти нацело для восстановления более прочных включений, таких, например, как Al₂O₃ или TiO₂, требуется очень глубокий вакуум до 10^-3 Па.That is, the lower the pressure over the melt, the less oxide inclusions remain in the metal. Less strong inclusions, such as, for example, MnO, Cr ₂ O ₃ or Nb ₂ O ₅ , are reduced almost completely by carbon in a vacuum to restore stronger inclusions, such as, for example, Al ₂ O ₃ or TiO ₂ , a very deep vacuum is required up to 10 ^-3 Pa.

Схема установки на Фиг.2 может быть также использована для рафинирования металлических слитков, которые будут плавиться в качестве электрода 2, загрязненных например кислородом. Для его удаления по желобу 25 будет на поддон-сопло подсыпаться порошкообразный углерод. При плавлении слитка присутствующий в нем кислород будет соединяться с углеродом до газового состояния, тем самым будет происходить процесс рафинирования металла.The installation diagram in figure 2 can also be used for refining metal ingots, which will melt as an electrode 2, contaminated with oxygen for example. To remove it through the gutter 25, powdered carbon will be added to the drip tray. When the ingot is melted, the oxygen present in it will combine with carbon to a gas state, thereby the metal refining process will occur.

Общая схема реализации способа изображена на Фиг.3, где указаны основные технологические зоны восстановления и кристаллизации металла, а также одно из возможных температурных полей, которое может проходить вещество в этих зонах, изображенное на графике (Фиг.4). То есть электрод 2, нагреваясь за счет дуги 6 до температур от 1000 до 2000°С в зоне I, начинает окислять кислород на своей поверхности до газовых соединений, это относится также и к хлору, фтору и т.п. соединениям. За счет плавления твердой фазы вещества в зоне II на верхней части сопла образуется защитный слой из реакционной шихты, в котором продолжается процесс восстановления металла. Продолжающийся нагрев вещества в зоне II приводит к тому, что, когда величина температуры нагрева шихты превысит температуру плавления восстанавливаемого окисла на определенную величину, начинается самопроизвольная металлотермическая восстановительная реакция. За счет протекания реакции в этой зоне начинает восстанавливаться металл, при этом выделяется дополнительное тепло. При попадании восстановленного и недовосстановленного металла в зону III, то есть при его выходе из сопла плазматрона и попадании в сечение индуктора, подогревающего плазму, металл дополнительно будет нагреваться и его температура еще более увеличится, при этом ее повышение может достигать 3500-7000°С. То есть в этой зоне начинают протекать плазмохимические процессы, где вещество будет практически полностью ионизироваться, что значительно ускорит протекание реакций восстановления металла. В этой же зоне начинает удаляться в виде газа кислород за счет системы вакуумной откачки. В четвертой зоне плазма при выходе из индуктора обогревает своим факелом зеркало расплава металла, куда попадает восстановленный металл, образуя ванну расплава 8. В зоне V начинает падать температура и начинают замедляться все процессы. В зоне V идет формирование ванны металла и его кристаллизация за счет охлаждения кристаллизатором, при этом продукт восстановления в виде металла выходит из реакции, смещая ее вправо. В общем виде процесс восстановления металла складывается из следующей цепочки: дуговой нагрев электрода, являющегося анодом, при котором протекают процессы плавления шихты и реакции окисления с газовыделением, металлотермическое восстановление металла внутри плазматрона, металлотермическое, плазменнохимическое и электрохимическое восстановление металла в зоне горения плазмы, образование ванны металла и его охлаждение на кристаллизаторе.The general scheme of the implementation of the method is shown in Fig. 3, where the main technological zones of metal reduction and crystallization are indicated, as well as one of the possible temperature fields that can pass through the substance in these zones, shown in the graph (Fig. 4). That is, the electrode 2, heating due to arc 6 to temperatures from 1000 to 2000 ° C in zone I, begins to oxidize oxygen on its surface to gas compounds, this also applies to chlorine, fluorine, etc. connections. Due to the melting of the solid phase of the substance in zone II, a protective layer from the reaction mixture is formed on the upper part of the nozzle, in which the metal reduction process continues. The ongoing heating of the substance in zone II leads to the fact that when the temperature of the charge heating exceeds the melting temperature of the reduced oxide by a certain amount, a spontaneous metallothermal reduction reaction begins. Due to the reaction in this zone, the metal begins to recover, while additional heat is released. If the reduced and unreduced metal gets into zone III, that is, when it leaves the plasmatron nozzle and the inductor heating the plasma enters the cross section, the metal will additionally heat up and its temperature will increase even more, while its increase can reach 3500-7000 ° С. That is, plasmochemical processes begin to occur in this zone, where the substance will be almost completely ionized, which will significantly accelerate the course of metal reduction reactions. In the same zone, oxygen begins to be removed in the form of gas due to the vacuum pumping system. When leaving the inductor, the plasma in the fourth zone heats the metal melt mirror with its torch, where the reduced metal enters, forming the melt pool 8. In zone V, the temperature begins to drop and all processes begin to slow down. In zone V, a metal bath is formed and crystallized due to cooling by a crystallizer, while the reduction product in the form of a metal exits the reaction, shifting it to the right. In general, the metal reduction process consists of the following chain: arc heating of the electrode, which is the anode, during which the melting of the charge and the oxidation reaction with gas evolution occur, metallothermal reduction of the metal inside the plasmatron, metallothermal, plasma-chemical and electrochemical reduction of the metal in the plasma combustion zone, the formation of a bath metal and its cooling on the mold.

Предлагаемое устройство может осуществлять технологический процесс восстановления металлов из оксидных, фторидных, карбидных, хлоридных соединений, а также производить очистку слитка металла от кислорода, азота, водорода, углерода, хлора, фтора и других примесных металлов. Процесс восстановления металлов и очистки основан на комплексе процессов, основными из которых являются плазмохимический и электрохимический процессы, кроме того, в процессе может принимать участие металлотермическое восстановление основного металла. В предлагаемом изобретении в отличие от прототипа плазматроном служит вся установка, где расходуемый электрод одновременно служит анодом и источником получения расплава, на котором формируется дуга для последующего ее сжатия.The proposed device can carry out the process of reducing metals from oxide, fluoride, carbide, chloride compounds, as well as purify a metal ingot from oxygen, nitrogen, hydrogen, carbon, chlorine, fluorine and other impurity metals. The process of metal reduction and purification is based on a complex of processes, the main of which are plasma-chemical and electrochemical processes, in addition, metallothermal reduction of the base metal can take part in the process. In the present invention, in contrast to the prototype, the entire apparatus is used as a plasmatron, where a consumable electrode simultaneously serves as an anode and a source for producing a melt, on which an arc is formed for its subsequent compression.

В начальный период плавления электрода образуется гарнисаж металла или его соединений на охлаждаемом поддоне, слой которого защищает медный поддон от тепловой нагрузки, которая будет увеличиваться по мере сжатия дуги и перемещения ее к отверстию в поддоне. Расплав на поддоне поднимается частично вверх за счет его вращения под действием электромагнитного поля соленоида. По мере его накопления за счет угла наклона поддона расплав стекает к центральному отверстию. Далее расплав, проходя через центральное отверстие, которое представляет собой сопло плазматрона, получает значительную тепловую энергию, обогреваясь потоком плазмы, сформированную из сжатого дугового разряда, образуемого на аноде. Толщина слоя гарнисажа, образованного на поддоне, зависит от тепловой мощности дуги, при этом слой гарнисажа может достигать различного размера. При работе плазматрона, когда дуга горит между расходуемым электродом и поддоном (схема работы плазматрона косвенного действия), гарнисаж имеет наименьшую толщину. При отключении поддона от отрицательного полюса, когда он становится нейтральным, отрицательный полюс переключается на шток, который вытягивает слиток из скользящего кристаллизатора, тем самым система электрод-поддон-слиток будет представлять собой плазматрон прямого действия [3], (стр.407). При таком подключении дуга будет сфокусирована с большой площади расходуемого электрода, выступающего в качестве анода, и сжата в отверстии поддона, выступающего в качестве сопла, при этом ее тепловая мощь будет в основном направлена на верхнюю часть формируемого слитка, выступающего в качестве катода, а следовательно, гарнисаж, который распределен по периферии поддона, будет нарастать, защищая поддон от теплового перегрева.In the initial period of melting of the electrode, a skull of metal or its compounds forms on the cooled tray, a layer of which protects the copper tray from heat load, which will increase as the arc contracts and moves to the hole in the tray. The melt on the pan rises partially due to its rotation under the action of the electromagnetic field of the solenoid. As it accumulates due to the angle of inclination of the pallet, the melt flows to the central hole. Further, the melt, passing through the central hole, which is a nozzle of the plasmatron, receives significant thermal energy, being heated by the plasma stream formed from a compressed arc discharge formed on the anode. The thickness of the skull layer formed on the pallet depends on the thermal power of the arc, while the skull layer can reach different sizes. During the operation of the plasmatron, when the arc burns between the sacrificial electrode and the tray (indirect operation of the plasmatron), the skull has the smallest thickness. When the pallet is disconnected from the negative pole, when it becomes neutral, the negative pole switches to the rod, which pulls the ingot from the sliding mold, thereby the electrode-pallet-ingot system will be a direct-acting plasmatron [3], (p. 407). With this connection, the arc will be focused from a large area of the consumable electrode acting as the anode, and compressed in the hole of the tray serving as a nozzle, while its heat power will be mainly directed to the upper part of the formed ingot acting as the cathode, and therefore , the skull, which is distributed around the periphery of the pallet, will increase, protecting the pallet from thermal overheating.

При работе плазматрона в данном режиме на оплавляемом электроде-аноде начинают протекать окислительные реакции. Так, например, если в качестве электрода (по типу создания электродов Кембриджским процессом) будет выступать двуокись титана, то под воздействием дугового разряда и бомбардировки торца электрода отрицательно заряженными ионами будет выделяться кислород в виде газа. При этом откачка вакуума ведется через нижнюю камеру, данный кислород будет составлять часть газоплазменной струи, проходящей через поддон-сопло. Освободившийся от кислорода титан, стекая по поддону и попадая в ванну скользящего кристаллизатора-катода, будет дополнительно освобождаться от присутствующего в нем кислорода, как за счет дополнительного обогрева плазменной струей, которая будет ускорять плазмохимические процесс, так и за счет электрохимических реакций, которые на катоде позволяют освобождаться металлу от кислорода.When the plasmatron operates in this mode, oxidative reactions begin to occur on the reflowable electrode-anode. So, for example, if titanium dioxide acts as an electrode (in the type of creation of electrodes by the Cambridge process), then under the influence of an arc discharge and bombardment of the electrode end, oxygen in the form of gas will be released by negatively charged ions. In this case, the vacuum is pumped through the lower chamber, this oxygen will form part of the gas-plasma jet passing through the drip tray. Titanium freed from oxygen, flowing down the pallet and falling into the bath of the sliding mold-cathode, will be additionally freed of the oxygen present in it, both due to additional heating by a plasma jet, which will accelerate the plasma-chemical process, and due to electrochemical reactions that take place on the cathode allow the metal to be released from oxygen.

Прямое восстановление титана из окислов, а также других химических активных металлов, может быть ускорено при введении в электрод восстановителей, таких как кальций, натрий, магний, алюминий, углерод и т.п. При этом уже при плавлении электрода-анода начнут протекать реакции металлотермического восстановления, которые будут ускоряться при попадании реакционной шихты на поддон по мере продвижения ее к отверстию-соплу. Восстановленный металл, попадая в ванну слитка, т.е. на катод, дополнительно нагреваясь струей плазмы, начнет избавляться от металлов восстановителей (которые обычно относятся к легкокипящим металлам) или углерода, которые в нем будут присутствовать, т.е. эти примеси будут испаряться.Direct reduction of titanium from oxides, as well as other chemical active metals, can be accelerated by the introduction of reducing agents, such as calcium, sodium, magnesium, aluminum, carbon, etc., into the electrode. In this case, already upon melting of the anode electrode, metallothermal reduction reactions will begin to take place, which will accelerate when the reaction mixture gets on the pallet as it moves to the nozzle opening. The reduced metal entering the ingot bath, i.e. to the cathode, additionally being heated by a plasma jet, it will begin to get rid of reducing metal metals (which usually refer to low-boiling metals) or carbon that will be present in it, i.e. these impurities will evaporate.

Углерод, захватывая из металла оставшийся кислород, в виде СО или СО₂, будет удаляться из реакции вакуумной системой. Плазменная струя, обогревая своим факелом ванну слитка, также будет испарять шлаковые образования, которые будут закрывать эту ванну, так как при металлотермических процессах будут происходить реакции окисления металлов восстановителей.Carbon, capturing the remaining oxygen from the metal, in the form of CO or CO ₂ , will be removed from the reaction by a vacuum system. Plasma jet, heating the ingot bath with its torch, will also evaporate slag formations that will close this bath, since oxidation of the reducing metal metals will occur during metallothermal processes.

При получении слитка металла непосредственно из его соединений на вертикально-стационарном плазматроне (ВСП), а также при получении слитка с помощью отдельных процессов, таких как металлотермия, гарнисажная, вакуумно-дуговая, индукционная или плазменная плавка, при содержании в металле слитка металлических и неметаллических включений выше нормы, целесообразно подвергнуть полученный слиток дополнительной переплавке на печи (ВСП). Данный способ особенно будет эффективен при переплавке титановых электродов, сформированных из некачественной губки, которая содержит повышенное содержание кислорода и хлора. Один переплав на печи ВСП позволит превратить металл в качественный. Усиленное газовыделение из титана хлора и кислорода будет способствовать хорошему формированию плазменной струи, для которой не понадобиться дополнительного введения инертного газа. Хлор и кислород удаляются из печи системой вакуумной откачки и улавливаются системой сбора газов для их повторного использования. В случае переплава загрязненной губки на вакуумно-дуговых печах всегда существует реальная угроза бокового пробоя на кристаллизатор, который может привести к взрыву печи. Поэтому грязную губку на этих печах не переплавляют и используют в основном для ферротитана. Электронно-лучевые печи, также не плавят данную шихту, так как повышенное газовыделение выводит из строя электронно-лучевые пушки. Обычные плазматроны, в виду их работы при повышенном газовом давлении, не позволяют металлу хорошо очиститься от газовых примесей. Поэтому очистка сильно загрязненных металлов на печи ВСП может быть одной из самых эффективных на сегодняшний день.Upon receipt of an ingot of metal directly from its compounds on a vertically stationary plasmatron (VSP), as well as upon receipt of an ingot using separate processes, such as metallothermy, skull, vacuum arc, induction or plasma melting, when the ingot contains metal and nonmetallic inclusions above the norm, it is advisable to subject the resulting ingot to additional remelting in the furnace (VSP). This method will be especially effective in the remelting of titanium electrodes formed from a poor-quality sponge, which contains a high content of oxygen and chlorine. One remelting at the VSP furnace will turn metal into high-quality. The enhanced gas evolution from titanium of chlorine and oxygen will contribute to the good formation of a plasma jet, which does not require additional introduction of an inert gas. Chlorine and oxygen are removed from the furnace by a vacuum pumping system and captured by a gas collection system for reuse. In the case of remelting of a contaminated sponge on vacuum-arc furnaces, there is always a real threat of lateral breakdown to the mold, which can lead to an explosion of the furnace. Therefore, the dirty sponge on these furnaces is not remelted and is used mainly for ferrotitanium. Electron beam furnaces also do not melt this mixture, since increased gas generation destroys electron beam guns. Conventional plasmatrons, in view of their operation under increased gas pressure, do not allow the metal to be well cleared of gas impurities. Therefore, the cleaning of heavily contaminated metals on a VSP furnace can be one of the most effective today.

Дополнительным технологическим рычагом, воздействующим на параметры нагрева, является возможность подачи дополнительного инертного газа в верхнюю камеру плавления, через трубопровод 12 и клапан 13. При работе в прямом режиме подача дополнительного инертного газа будет способствовать нарастанию гарнисажа на поддоне за счет охлаждения газом, но в то же время усиление потока плазменной струи будет способствовать увеличению нагрева зеркала жидкой ванны 8 в слитке. При работе в косвенном режиме подача дополнительного инертного газа будет способствовать нарастанию гарнисажа на периферии поддона, но в то же время его сплавлению ближе к центру. При переплаве электродов большого диаметра плазмообразующего газа, выделяемого за счет дуги на его торце большой площади, становится вполне достаточно для успешной работы плазматрона без какой-либо дополнительной подкачки газа. Расходуемый электрод служит одновременно источником расплава и источником плазмообразующего газа, который усиливает свою тепловую энергию за счет сужающегося отверстия в поддоне, причем чем меньше отверстие, тем выше температура образуемого потока плазмы и тем меньше диаметром можно получить слиток, при этом не опасаясь, что малое отверстие сопла зарастет гарнисажем.An additional technological lever affecting the heating parameters is the possibility of supplying additional inert gas to the upper melting chamber, via pipeline 12 and valve 13. When operating in direct mode, the supply of additional inert gas will contribute to the increase of the skull on the pallet due to gas cooling, but at the same time at the same time, an increase in the plasma jet flow will increase the heating of the mirror of the liquid bath 8 in the ingot. When working in indirect mode, the supply of additional inert gas will contribute to the increase of the skull on the periphery of the pallet, but at the same time its fusion closer to the center. When remelting electrodes of a large diameter, the plasma-forming gas generated due to the arc at its end face of a large area becomes quite sufficient for the successful operation of the plasmatron without any additional pumping of gas. The consumable electrode serves both as a source of melt and a source of plasma-forming gas, which enhances its thermal energy due to a narrowing hole in the pan, and the smaller the hole, the higher the temperature of the generated plasma stream and the smaller the diameter you can get an ingot, without fear that a small hole nozzles overgrown with a skull.

Представленное устройство ВСП позволяет очень компактно располагать оборудование в цеховом помещении. Так, например, при переплаве титанового электрода диаметром 1,2 м и длиной 1,5 м верхняя часть установки над нулевой отметкой будет не более 3-х м, при выплавке слитка диаметром 0,5 м глубина шахты составит 9 м.The presented VSP device allows very compact arrangement of equipment in the workshop room. So, for example, when a titanium electrode is re-melted with a diameter of 1.2 m and a length of 1.5 m, the upper part of the installation above the zero mark will be no more than 3 m; when an ingot with a diameter of 0.5 m is smelted, the shaft depth will be 9 m.

В конструкции установки может использоваться высокочастотный индуктор 22, который будет дополнительно разогревать плазменную струю и отжимать ее к центру вертикальной оси, тем самым облегчая и стабилизируя процесс плавления и восстановления металла.In the design of the installation, a high-frequency inductor 22 can be used, which will additionally heat the plasma jet and squeeze it to the center of the vertical axis, thereby facilitating and stabilizing the process of melting and metal reduction.

В отличие от аналога предлагаемый способ имеет более широкие возможности по усреднению химического состава и позволяет получать слитки меньшего диаметра, чем исходный электрод, тем самым резко снижая себестоимость продукции, увеличивая выход годного и сокращая время на переделе металла.In contrast to the analogue, the proposed method has wider possibilities for averaging the chemical composition and allows to obtain ingots of smaller diameter than the original electrode, thereby sharply reducing production costs, increasing yield and reducing time for metal redistribution.

В отличие от прототипа заявленный способ более производителен, так как КПД нагревателя с использованием расходуемого электрода выше, при этом конструкция устройства значительно проще, чем печи с плазменными нагревателями.In contrast to the prototype, the claimed method is more productive, since the efficiency of the heater using the consumable electrode is higher, while the design of the device is much simpler than furnaces with plasma heaters.

В отличие от Кембриджского процесса процесс восстановления титана в устройстве ВСП идет с очень высокими скоростями, так как вещество за счет ионизации при высокой температуре значительно быстрее восстанавливается. Необходимо также учесть, что в данном случае не применяется электролит, состоящий из определенного вещества в жидком виде, а следовательно, нет ограничения по температуре нагрева восстанавливаемого металла.In contrast to the Cambridge process, the process of titanium reduction in the VSP device proceeds at very high speeds, since the substance is much faster to recover due to ionization at high temperature. It should also be taken into account that in this case, an electrolyte consisting of a certain substance in liquid form is not used, and therefore, there is no limitation on the heating temperature of the reduced metal.

В отличие от плазмохимического процесса синтеза двуокиси титана не требуется зажигать реагирующие смеси специальным электродом из тугоплавкого металла, так как в предлагаемом изобретении электрод участвует в технологическом процессе, одновременно являясь источником металла и анодом, на поверхности которого идет выделение окисляющихся газовых продуктов реакции. Кроме того, не требуется подачи специальных газовых смесей для образования плазмы, так как последняя образуется за счет газов, выделяемых с электрода-анода, дополнительное вакуумирование смещает все реакции в сторону восстановления металла.Unlike the plasma-chemical process for the synthesis of titanium dioxide, it is not necessary to ignite the reacting mixtures with a special electrode made of refractory metal, since in the present invention the electrode is involved in the process, while being a source of metal and an anode, on the surface of which the oxidized gas reaction products are released. In addition, it is not necessary to supply special gas mixtures for the formation of plasma, since the latter is formed due to the gases released from the anode electrode, additional evacuation shifts all reactions in the direction of metal reduction.

В отличие от первого аналога тепловая плотность дуги может быть больше на порядки, а следовательно, скорости реакций восстановления и рафинирования металла, также возрастают на порядки.Unlike the first analogue, the thermal density of the arc can be higher by orders of magnitude, and consequently, the rates of metal reduction and refining reactions also increase by orders of magnitude.

В связи с вышесказанным данный способ и устройство могут быть полезны для широкого внедрения в промышленность.In connection with the foregoing, this method and device may be useful for widespread adoption in industry.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1]. Научно-технический журнал "Титан" №2(19) 2006 г., стр.9÷10.[one]. Scientific and technical journal "Titan" No. 2 (19) 2006, p. 9 ÷ 10.

[2]. А.Н.Зеликман. Металлургия тугоплавких редких металлов. - М.: Металлургия, 1986, стр.343.[2]. A.N. Zelikman. Metallurgy of refractory rare metals. - M.: Metallurgy, 1986, p. 343.

[3]. В.А.Кудрин, В.Парма. Технология получения качественной стали. - М.: Металлургия, 1984, стр.118.[3]. V.A. Kudrin, V. Parma. Technology for producing high-quality steel. - M.: Metallurgy, 1984, p. 118.

Claims (5)

1. Способ использования вертикально-стационарного плазматрона, включающий горение дуги на электроде, формирование плазменной струи за счет газа и концентрации дуги в сопле и электромагнитном поле, обогревающей формируемый металл, отличающийся тем, что в этом плазматроне защита сопла происходит за счет расплава восстановленного или недовосстановленного металла, стекаемого по нему с расходуемого электрода или подсыпаемого на сопло отдельно, а его толщина регулируется режимами плавления, за счет переполюсовки тока на электроде, сопле и формируемом металле, при этом газ для плазмы образуется в зоне горения дуги над соплом за счет откачки вакуума через зону формирования слитка металла, находящуюся под соплом.1. The method of using a vertically stationary plasmatron, including the burning of an arc on an electrode, the formation of a plasma jet due to gas and the concentration of the arc in the nozzle and the electromagnetic field that heats the formed metal, characterized in that the nozzle is protected in this plasmatron by the melt of the reduced or unreduced metal flowing down on it from the consumable electrode or added to the nozzle separately, and its thickness is regulated by the melting modes, due to polarity reversal of the current on the electrode, nozzle and metal being formed, while plasma gas is formed in the arc burning zone above the nozzle due to vacuum pumping through the metal ingot formation zone located under the nozzle. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вертикально-стационарный плазматрон работает по принципу косвенного, прямого и переменного действия, при этом электрод является анодом, на котором выделяется кислород и другие газы, а слиток металла - катодом, где восстанавливается металл электрохимически, плазмохимически и металлотермически.2. The method according to claim 1, characterized in that the vertically stationary plasmatron operates according to the principle of indirect, direct and variable action, while the electrode is an anode on which oxygen and other gases are released, and a metal ingot is a cathode where metal is restored electrochemically plasmochemical and metallothermal. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для усиления тепловой мощности плазмы газ нагнетается в дуговой разряд дополнительно, для усиления восстановления металла из полости ниже сопла проводят глубокую откачку вакуума.3. The method according to claim 2, characterized in that in order to enhance the thermal power of the plasma, the gas is additionally pumped into the arc discharge, to intensify the recovery of the metal from the cavity below the nozzle, a deep vacuum is pumped out. 4. Вакуумно-стационарный плазматрон, включающий горение дуги на электроде и охлаждаемом поддоне, сжатие дуги в плазму, которая подогревает расплав, формируемый в охлаждаемом кристаллизаторе, отличающийся тем, что поддон в центральной части имеет отверстие, что переводит его в сопло, на которое может быть подключен минус или ноль, а вокруг него установлен соленоид, вращающий по его поверхности расплав восстановленного и невосстановленного металла, выравнивая его толщину и защищая его от тепловой нагрузки.4. A vacuum-stationary plasmatron, including arc burning on the electrode and the cooled tray, compressing the arc into a plasma that heats the melt formed in the cooled mold, characterized in that the tray has a hole in the central part, which transfers it to the nozzle, which can minus or zero should be connected, and around it a solenoid installed, rotating the melt of the reduced and unreduced metal on its surface, leveling its thickness and protecting it from heat load. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что под соплом расположен индуктор, дополнительно разогревающий плазму, препятствующий намерзанию на сопло расплава металла и концентрирующий его поток, а охлаждаемый кристаллизатор выполнен в виде скользящего кристаллизатора, позволяющего удерживать зеркало ванны расплава на одном расстоянии от среза сопла, то есть не нарушая технологическую работу плазматрона, при этом для установки используется вытягивающее устройство слитка с перехватом и поперечным вращением. 5. The device according to claim 4, characterized in that the inductor is located under the nozzle, additionally heating the plasma, preventing the metal melt from freezing on the nozzle and concentrating its flow, and the cooled mold is made in the form of a sliding mold, which allows to keep the molten bath mirror at the same distance from a nozzle cut, that is, without disrupting the technological operation of the plasmatron, while an ingot pulling device with interception and lateral rotation is used for installation.

Images