RU2516325C2

RU2516325C2 - Method to remelt metal in vacuum electric arc furnace

Info

Publication number: RU2516325C2
Application number: RU2012100607/02A
Authority: RU
Inventors: Михаил Михайлович Тельминов; Алексей Викторович Бояринцев; Юрий Геннадьевич Чирков; Геннадий Васильевич Чирков; Станислав Александрович Тельминов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр электрофизики и приборостроения"
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2014-05-20
Also published as: RU2012100607A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to special electric metallurgy and may be used in production of titanium, tantalum, uranium, niobium and zirconium in a vacuum electric arc furnace (VEAF). Strong electromagnetic field is pulled in a coaxial resonator of the VEAF at a resonant frequency of the resonator by an external high-frequency generator with a system of automatic tracking over change of the resonant frequency of the VEAF resonator in process of melting, simultaneously they stabilise the effective electrode-to-electrode gap, using electromagnetic field, they additionally excite vortex currents at the end of the melted electrode, additionally electromagnetic field is created in the electrode-to-electrode gap with frequency below the resonant frequency of the coaxial resonator of VEAF, using this field, magnetic-sound waves are excited in the arc plasma to create elastic oscillations in the melt at the border of the crystallisation front and to form acoustic magnetic resonance in resonant and magnetic field of the VEAF solenoid.

EFFECT: invention makes it possible to increase quality of metal, to reduce number of processing operations, to reduce consumption of power.

5 dwg

Description

Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано при производстве титана, меди, тантала, урана, ниобия, циркония и специальных сплавов в вакуумных дуговых печах (ВДП).The invention relates to special electrometallurgy and can be used in the production of titanium, copper, tantalum, uranium, niobium, zirconium and special alloys in vacuum arc furnaces (VDP).

Титан обладает рядом уникальных свойств: самой высокой удельной прочностью, низкими электротеплопроводностью, высокой температурой плавления, исключительной коррозионной стойкостью в большинстве газовых и жидких агрессивных средах, хорошие технологические свойства, в том числе свариваемость, способность создавать сплавы как с легкими, так и тяжелыми металлами, хорошая совместимость с живыми тканями.Titanium has a number of unique properties: the highest specific strength, low electrical conductivity, high melting point, exceptional corrosion resistance in most gas and liquid aggressive environments, good technological properties, including weldability, the ability to create alloys with both light and heavy metals, good compatibility with living tissues.

Титан используется в аэрокосмической отрасли, в морском судостроении, в атомной и химической промышленности, в медицине и т.д., то есть в очень ответственных отраслях народного хозяйства. Поэтому выплавка высококачественных слитков из титана требует совершенных технологий, систем контроля и автоматизации производства. В настоящее время выплавку титана в промышленном масштабе осуществляют в вакуумных дуговых печах (ВДП) и вакуумных дуговых гарнисажных печах (ВДТП), проектирование которых началось в прошлом веке [1, 2]. ВДП широко применяются также для выплавки ряда других металлов, упомянутых выше.Titanium is used in the aerospace industry, in marine shipbuilding, in the nuclear and chemical industries, in medicine, etc., that is, in very important sectors of the national economy. Therefore, the smelting of high-quality titanium ingots requires advanced technologies, control systems and automation of production. Currently, titanium is smelted on an industrial scale in vacuum arc furnaces (VDF) and vacuum arc skull furnaces (VDTP), the design of which began in the last century [1, 2]. VDP are also widely used for smelting a number of other metals mentioned above.

Переплав расходуемого электрода в ВДП и формирование слитка происходит непосредственно в глухом кристаллизаторе. Расходуемый электрод вставляется в кристаллизатор с поддоном, что с точки зрения радиоволновой физики представляет собой коаксиальный резонатор [3].The consumable electrode is remelted in the VDP and the ingot is formed directly in the solid mold. A consumable electrode is inserted into the mold with a tray, which from the point of view of radio wave physics is a coaxial resonator [3].

Для получения качественного слитка необходимо устанавливать и поддерживать заданный режим переплава. Необходимо, чтобы скорость плавления равнялась скорости кристаллизации слитка, это является одним из условий получения слитка с однородной структурой.To obtain a quality ingot, it is necessary to establish and maintain a given remelting mode. It is necessary that the melting rate is equal to the crystallization rate of the ingot, this is one of the conditions for obtaining an ingot with a homogeneous structure.

В свою очередь скорость плавки определяется током дуги и величиной межэлектродного промежутка, который в настоящее время на промышленных печах контролируется по частоте капельных замыканий и электрическому напряжению на печи [4].In turn, the melting speed is determined by the arc current and the interelectrode gap, which is currently monitored in industrial furnaces by the frequency of droplet faults and the voltage on the furnace [4].

В этой работе отмечается, что крупные капли просачиваются в область твердой фазы расплава и создают гравитационную ликвацию и пористость в слитке, а в межэлектродном промежутке объемную ионизацию. Частота капельных замыканий низкая, что приводит к высокой статистической погрешности определения длины межэлектродного промежутка. На погрешность измерения влияют: изменение формы торца электрода, прикатодное падение напряжения, плотность дуговой плазмы, химический состав расходуемого электрода. Суммарная систематическая погрешность практически превосходит саму длину этого промежутка и по метрологическим требованиям не может быть использована как физический метод измерения и контроля.In this work, it is noted that large droplets seep into the region of the solid phase of the melt and create gravitational segregation and porosity in the ingot, and volume ionization in the interelectrode gap. The frequency of droplet faults is low, which leads to a high statistical error in determining the length of the interelectrode gap. The measurement error is affected by: a change in the shape of the electrode end, a near-cathode voltage drop, the density of the arc plasma, the chemical composition of the consumable electrode. The total systematic error practically exceeds the very length of this gap and, according to metrological requirements, cannot be used as a physical method of measurement and control.

Объемная ионизация в межэлектродном промежутке приводит к повышению концентрации положительных ионов в прикатодной области и повышению тока утечки с расходуемого электрода непосредственно на кристаллизатор, к снижению тока дуги, т.е. к прямым потерям электрической энергии. В этом случае печь работает как электродная лампа, роль управляющей сетки которой выполняет прикатодный ионный слой.Volume ionization in the interelectrode gap leads to an increase in the concentration of positive ions in the near-cathode region and an increase in the leakage current from the consumable electrode directly to the crystallizer, to a decrease in the arc current, i.e. to direct losses of electrical energy. In this case, the furnace operates as an electrode lamp, the role of the control grid of which is played by the near-cathode ion layer.

Дефекты макроструктуры слитка (пятнистая ликвация, внеосевая неоднородность, послойная кристаллизация, пористость) связаны с протяженностью двухфазной области, которая зависит от многих факторов в том числе от параметров дуговой печи. К основным параметрам относятся: сила тока, напряжение на печи, напряженность магнитного поля соленоида, уровень расплава в кристаллизаторе, весовая скорость плавки, межэлектродный промежуток, вакуум в печи, химический состав расходуемого электрода. Все параметры должны измеряться одновременно в процессе плавки и каждый на своем канале, а методы измерения должны обладать свойством инвариантности.Defects of the macrostructure of the ingot (spotted segregation, off-axis heterogeneity, layer-by-layer crystallization, porosity) are associated with the length of the two-phase region, which depends on many factors, including the parameters of the arc furnace. The main parameters include: current strength, voltage on the furnace, magnetic field strength of the solenoid, melt level in the mold, weight melting rate, interelectrode gap, vacuum in the furnace, chemical composition of the consumable electrode. All parameters must be measured simultaneously during the melting process and each on its own channel, and the measurement methods must have the property of invariance.

В работе [5] рассматривается дуговая печь как коаксиальный резонатор и возможность контроля некоторых параметров печи в процессе плавки металла. Испытание способа на промышленных печах ОАО ″Корпорация ВСМПО-АВИСМА″ показали, что необходимо создавать новый способ комплексного и одновременного контроля всех параметров и систему автоматического управления с учетом нового способа.In [5], an arc furnace is considered as a coaxial resonator and the ability to control some parameters of the furnace during metal smelting. Testing the method on industrial furnaces of VSMPO-AVISMA Corporation OJSC showed that it is necessary to create a new method for the integrated and simultaneous control of all parameters and an automatic control system taking into account the new method.

Цель изобретения - повышение качества металла, снижение, электропотребления и количества переделов.The purpose of the invention is improving the quality of the metal, reducing power consumption and the number of redistributions.

Эта задача достигается тем, что в коаксиальном резонаторе - ВДП возбуждают мощное электромагнитное поле на резонансной частоте внешним высокочастотным генератором с системой автоматического слежения за изменением резонансной частоты резонатора - ВДП в процессе плавки определяют уровень расплава и весовую скорость плавки по измерению резонансной частоты за заданный период, одновременно стабилизируют эффективный межэлектродный промежуток, возбуждают электромагнитным полем вихревые токи на торце расплавляемого электрода и повышают температуру торца электрода и создают условие ″дождевого″ равноплотного мелкого каплепадения, исключают гравитационную ликвацию и пористость в слитке, капельное замыкание межэлектродного промежутка и уменьшают прикатодное падение напряжения и постоянный ток дугового разряда без изменения весовой скорости плавки, а также адсорбцию возгонов на внутренней поверхности охлаждаемого кристаллизатора; дополнительно создают в межэлектродном промежутке электромагнитное поле с частотой ниже резонансной частоты коаксиального резонатора - ВДП, дополнительно возбуждают этим полем в дуговой плазме магнитозвуковые волны, которые возбуждают упругие колебания в расплаве на границе фронта кристаллизации и образуют акустический магнитный резонанс в резонансном и магнитном поле соленоида ВДП, при этом стимулируют увеличение образования центров кристаллизации, уменьшения объема жидко-твердой фазы перед фронтом кристаллизации для подавления ликвационных процессов в межкристаллитном пространстве на фронте кристаллизации за счет поглощения энергии при прохождении ширины линии акустического магнитного резонанса модулированным магнитным полем соленоида.This task is achieved by the fact that in a coaxial resonator - VDP excite a powerful electromagnetic field at the resonant frequency by an external high-frequency generator with a system for automatically tracking the change in the resonant frequency of the resonator - VDP during the melting process determine the melt level and weight rate of melting by measuring the resonant frequency for a given period, at the same time, they stabilize the effective interelectrode gap, excite eddy currents at the end of the molten electrode by an electromagnetic field and increase the temperature of the electrode end and create the condition of “rain” of equal density shallow dropping, exclude gravity segregation and porosity in the ingot, droplet closure of the interelectrode gap and reduce the near-cathode voltage drop and direct current of the arc discharge without changing the weight rate of the melt, as well as adsorption of sublimates on the inner surface of the cooled crystallizer ; additionally create an electromagnetic field in the interelectrode gap with a frequency lower than the resonant frequency of the coaxial resonator — VDP, additionally excite this field in the arc plasma of magnetosonic waves that excite elastic vibrations in the melt at the crystallization front and form acoustic magnetic resonance in the resonance and magnetic fields of the VDP solenoid, while stimulating an increase in the formation of crystallization centers, reducing the volume of the liquid-solid phase in front of the crystallization front to suppress segregation processes in the intergranular space at the crystallization front due to energy absorption during passage of the acoustic magnetic resonance line width by the modulated magnetic field of the solenoid.

Предложенный способ переплава металла может быть реализован в устройстве, представленного на Фиг.1.The proposed method of remelting metal can be implemented in the device shown in Fig.1.

Промышленный образец вакуумно-дуговой печи, состоящей из вакуумной камеры 1, кристаллизатора 2, штока 3 с закрепленным на его конце расходуемым электродом 4, приводимым в движение через механизм подачи электрода 5, включающий также измеритель скорости подачи электрода 6, источник тока дуги 7 и соленоид 8, задающий магнитное поле внутри кристаллизатора, дорабатывается следующим образом:An industrial design of a vacuum arc furnace, consisting of a vacuum chamber 1, a crystallizer 2, a rod 3 with a consumable electrode 4 fixed at its end, driven by an electrode feed mechanism 5, which also includes an electrode feed rate meter 6, an arc current source 7, and a solenoid 8, which sets the magnetic field inside the mold, is finalized as follows:

- Верхняя поверхность вакуумной камеры оборудуется двумя идентичными высокочастотными (ВЧ) зондами 9, каждый из которых представляет собой герметичный ВЧ разъем (диаметр порядка 10 см), к внутреннему концу центральной жилы которого приварен (припаян) конец полосы металла (петли связи), а другой ее конец присоединен (приварен, прикручен) к боковой стенке вакуумной камеры.- The upper surface of the vacuum chamber is equipped with two identical high-frequency (HF) probes 9, each of which is a sealed HF connector (diameter of about 10 cm), the end of the metal strip (connection loop) is welded (soldered) to the inner core and the other its end is attached (welded, screwed) to the side wall of the vacuum chamber.

- Во внутренний объем вакуумной камеры вводится круговая мелкоячеистая металлическая сетка 10, в сечении имеющая форму параболы, для снижения ВЧ отражений внутри вакуумной камеры и повышения общей добротности ВДП как коаксиального резонатора. Верхнее основание сетки прикрепляется по периметру вакуумной камеры, нижнее основание сетки крепится к нижнему основанию вакуумной камеры.- A circular fine-mesh metal mesh 10 is introduced into the inner volume of the vacuum chamber, having the shape of a parabola in cross section, to reduce RF reflections inside the vacuum chamber and increase the overall quality factor of the VDP as a coaxial resonator. The upper mesh base is attached around the perimeter of the vacuum chamber, the lower mesh base is attached to the lower base of the vacuum chamber.

Приборная установка измерителя весовой скорости плавки и управления межэлектродным промежутком содержит:Instrument installation measuring the weight rate of smelting and control the interelectrode gap contains:

- согласующее устройство 11;- matching device 11;

- высокочастотный (ВЧ) генератор 12;- high-frequency (HF) generator 12;

- низкочастотный (НЧ) модулятор 13;- low-frequency (LF) modulator 13;

- измеритель ВЧ параметров (частоты F, мощности P, добротности Q) 14;- meter RF parameters (frequency F, power P, Q factor Q) 14;

- управляющий компьютер 15, подключаемый к автоматизированной системе управления (АСУ) предприятия.- control computer 15, connected to the automated control system (ACS) of the enterprise.

На Фиг.2 схематично показан процесс плавки: изменение положения (H1) закрепленного конца электрода 16 в зависимости от уровня (H3) расплава 17 и связанного с этим положения (H2) расплавляемого конца электрода 18.Figure 2 schematically shows the melting process: changing the position (H1) of the fixed end of the electrode 16 depending on the level (H3) of the melt 17 and the associated position (H2) of the molten end of the electrode 18.

Измерение весовой скорости плавки основано на измерении прироста уровня расплава в единицу времени, и рассчитывается по формуле Vti=π*ρ*Dкр2*ΔH/(Δt*4), где Vti - весовая скорость плавки (кг/сек), ρ - удельная плотность Ti, Dкр - диаметр кристаллизатора, ΔH - прирост уровня расплава за временной дискрет Δt (мм), Δt - временной дискрет (сек).The measurement of the weighting speed of the melting is based on measuring the increase in the melt level per unit time, and is calculated by the formula Vti = π * ρ * Dcr2 * ΔH / (Δt * 4), where Vti is the weighting speed of the melting (kg / s), ρ is the specific gravity Ti, Dcr is the diameter of the mold, ΔH is the increase in the melt level over the time discrete Δt (mm), Δt is the time discrete (sec).

Измерение текущего уровня расплава 17 производится путем возбуждения электромагнитного поля внутри объема ВДП на резонансной частоте непосредственно в процессе плавки, точном измерении частоты резонанса, измерения добротности резонатора и автоматическом слежении за резонансной частотой. Процесс возбуждения электромагнитного поля начинается в начале плавки, сразу же при зажигании дуги 19 в межэлектродном промежутке. ВЧ генератор формирует ВЧ сигнал с центральной частотой f0, соответствующей начальной длине кристаллизатора. НЧ модулятор 13 управляет частотой ВЧ генератора, изменяя ее в пределах начальной добротности резонатора. На выходе ВЧ генератора 12 формируется циклическая последовательность частот: в начале цикла (фаза 0, продолжительность от 2 до 5 сек, выполняется один раз, в начале плавки) ВЧ генератор 12 формирует качающуюся частоту в пределах ±5 МГц, измеритель ВЧ параметров при этом строит частотную характеристику резонатора (резонансную кривую), по которой управляющий компьютер 15 находит максимум резонансной кривой; далее в фазе 1 (длительность 3 сек), исходя из ширины резонансной линии, ВЧ генератор 12 формирует частотно-манипулированный сигнал с частотами f0±Δf1+δf, где f0 - заданная центральная частота, Δf1 - девиация частоты в соответствии с шириной полученной резонансной линии, δf - величина коррекции частоты в соответствии с вычисленным отклонением дискриминатора, а измеритель ВЧ параметров вычисляет величину отклонения δf заданной центральной частоты f0 от действительного значения частоты резонанса путем дискриминации амплитуд частот манипуляции f0+Δf1 и f0-Δf1; в фазе 2 (длительность 2 сек) вычисляется добротность резонатора данной резонансной линии: ВЧ генератор формирует последовательно частотные посылки f0, f0-Δf1-Δf2, f0, f0+Δf1+Δf2, где Δf1 - начальная девиация частоты, -Δf2 - величина коррекции девиации частоты, Δf=Δf1+Δf2 - величина девиации частоты, соответствующая ширине резонансной линии по уровню - 3 дБ, в результате чего по формуле Q=f0/Δf рассчитывается добротность; после вычисления добротности Q цикл генерации и измерений будет состоять из двух фаз - фазы 1 и фазы, 2, общей длительностью 5 сек. Длительность цикла фаза 1 - фаза 2 (дискрет времени Δt) выбирается, исходя из результатов проведенных плавок. При Δt=5 сек средний ожидаемый прирост высоты расплава ΔH ~ 1 мм.Measurement of the current level of melt 17 is carried out by exciting the electromagnetic field inside the VDP volume at the resonant frequency directly during the melting process, accurately measuring the resonance frequency, measuring the quality factor of the resonator, and automatically tracking the resonant frequency. The process of excitation of the electromagnetic field begins at the beginning of melting, immediately upon ignition of the arc 19 in the interelectrode gap. The RF generator generates an RF signal with a central frequency f0 corresponding to the initial length of the mold. LF modulator 13 controls the frequency of the RF generator, changing it within the initial Q factor of the resonator. At the output of the RF generator 12, a cyclic sequence of frequencies is formed: at the beginning of the cycle (phase 0, duration 2 to 5 seconds, performed once, at the beginning of melting), the RF generator 12 generates a sweep frequency within ± 5 MHz, while the RF parameter meter builds the frequency response of the resonator (resonance curve), by which the control computer 15 finds the maximum of the resonance curve; further in phase 1 (duration 3 sec), based on the width of the resonance line, the RF generator 12 generates a frequency-manipulated signal with frequencies f0 ± Δf1 + δf, where f0 is the given center frequency, Δf1 is the frequency deviation in accordance with the width of the obtained resonance line , δf is the frequency correction value in accordance with the calculated deviation of the discriminator, and the RF parameter meter calculates the deviation δf of the given center frequency f0 from the actual value of the resonance frequency by discriminating the amplitudes of the manipulation frequencies f0 + Δf1 and f0-Δf1; in phase 2 (duration 2 sec), the resonator Q factor of a given resonance line is calculated: the RF generator sequentially generates frequency transmissions f0, f0-Δf1-Δf2, f0, f0 + Δf1 + Δf2, where Δf1 is the initial frequency deviation, -Δf2 is the value of the deviation correction frequency, Δf = Δf1 + Δf2 - the value of the frequency deviation corresponding to the width of the resonance line at the level of 3 dB, as a result of which the quality factor is calculated by the formula Q = f0 / Δf; after calculating the Q factor, the generation and measurement cycle will consist of two phases - phase 1 and phase 2, with a total duration of 5 seconds. The duration of the phase 1 - phase 2 cycle (time discrete Δt) is selected based on the results of the swimming trunks. At Δt = 5 sec, the average expected increase in the height of the melt is ΔH ~ 1 mm.

Измерение величины межэлектродного промежутка и автоматическое поддержание его в заданных пределах основано на текущем измерении уровня расплава и положения закрепленного конца электрода.The measurement of the interelectrode gap and its automatic maintenance within the specified limits is based on the current measurement of the melt level and the position of the fixed end of the electrode.

Так как текущий уровень расплава H3 - величина прямо измеряемая, H3=c/(4*f0), где c - скорость света, f0 - значение измеренной резонансной частоты, а положение закрепленного конца электрода H1 - тоже измеряемая величина в течении плавки (с помощью измерителя скорости подачи электрода), поэтому, зная H1 и H3, можно определить положение расплавляемого конца электрода H2 как H2=k*H3-H1, где k=Dкр2/Dэл2 - коэффициент пропорциональности, определяемый соотношением диаметров электрода Dэл и диаметром кристаллизатора Dкр.Since the current melt level H3 is a directly measurable quantity, H3 = c / (4 * f0), where c is the speed of light, f0 is the value of the measured resonant frequency, and the position of the fixed end of the electrode H1 is also a measurable quantity during melting (using of the electrode feed rate), therefore, knowing H1 and H3, it is possible to determine the position of the molten end of the H2 electrode as H2 = k * H3-H1, where k = Dcr2 / Del2 is the proportionality coefficient determined by the ratio of the electrode diameters Del and the crystallizer diameter Dcr.

Тогда величина межэлектродного промежутка будет определяться разностью H2 и H3: ΔHмэ=H3*(k+1)-H1.Then the magnitude of the interelectrode gap will be determined by the difference between H2 and H3: ΔHme = H3 * (k + 1) -H1.

Величина H1 напрямую зависит от скорости подачи электрода Vэл: H1=Σi=1N(Vэл i*Δt), где i - дискреты времени (по 5 сек), на который разбит весь процесс плавки, N - общее количество дискретов времени во всем процессе плавки, средняя скорость подачи электрода в течении одного дискрета времени.The value of H1 directly depends on the electrode feed rate VEL: H1 = Σi = 1N (Vel i * Δt), where i are the time samples (5 sec each), into which the entire melting process is divided, N is the total number of time samples in the entire melting process , the average electrode feed rate during one time discrete.

Изменяя текущую скорость подачи электрода Vэл i, можно управлять величиной межэлектродного промежутка ΔHмэ: при увеличении Vэл I межэлектродного промежутка будет уменьшаться, при уменьшении - наоборот, увеличиваться. Начиная процесс управления межэлектродным промежутком в самом начале плавки, а также принимая во внимание заданную точность измерения уровня расплава H3 (напр. 1 мм) и заданную точность положения закрепленного конца электрода H1 (тоже в переделах 1 мм) можно обеспечить точность выдержки межэлектродного промежутка ΔHмэ порядка ±1 мм.By changing the current electrode feed rate Vel i, it is possible to control the interelectrode gap ΔHme: with an increase in Vel I, the interelectrode gap will decrease, while decreasing, on the contrary, it will increase. Starting the process of controlling the interelectrode gap at the very beginning of melting, and also taking into account the specified accuracy of measuring the melt level H3 (e.g. 1 mm) and the given accuracy of the position of the fixed end of the electrode H1 (also within 1 mm), it is possible to ensure the accuracy of the exposure of the interelectrode gap ΔHme of order ± 1 mm.

Для получения более качественного слитка реализуется квазистационарный режим работы ВДП. Для этого описанная выше автоматизированная система управления ВДП, представленная на Фиг.1, дорабатывается следующим образом:To obtain a better ingot, a quasi-stationary mode of operation of the VDP is implemented. To do this, the above-described automated control system of the VDP, presented in Figure 1, is finalized as follows:

- Верхняя поверхность вакуумной камеры оборудуется оптическим выходом 20 (представляющим собой оптически прозрачное герметичное отверстие), расположенным в зоне прямой видимости 21 дна кристаллизатора.- The upper surface of the vacuum chamber is equipped with an optical output 20 (which is an optically transparent sealed hole) located in the line of sight 21 of the bottom of the mold.

- Дополнительно к этому установка включает следующие узлы и блоки:- In addition to this, the installation includes the following nodes and blocks:

- спектроскоп 22 оптического диапазона;- spectroscope 22 of the optical range;

- система защиты печи (взрывобезопасности) 23;- furnace protection system (explosion safety) 23;

- измеритель состава и плотности плазмы 24;- a measure of the composition and density of plasma 24;

- концевые катушки 25 соленоида.- end coils 25 of the solenoid.

Дополнительно к указанным доработкам значительно повышается мощность ВЧ генератора, величина которой определяется известными параметрами расплавляемого металла: температурой плавления, электропроводностью, теплоемкостью, теплопроводностью и др., а также геометрическими размерами кристаллизатора и диаметром расплавляемого электрода.In addition to these improvements, the power of the RF generator significantly increases, the value of which is determined by the known parameters of the molten metal: melting temperature, electrical conductivity, heat capacity, thermal conductivity, etc., as well as the geometric dimensions of the mold and the diameter of the molten electrode.

Спектроскоп (оптического диапазона) выполняет измерение оптически излучаемого спектра, измеренные спектральные линии в оцифрованном виде поступают в систему защиты печи, где производится их анализ на наличие присутствия меди. При этом производится сравнение с двумя установленными порогами: порогом предупреждения П1 и порогом отключения П2. При высокой (но допустимой еще) интенсивности линий меди (срабатывание порога П1) управляющий компьютер выдает предупредительный сигнал, а при интенсивности, выходящей за установленные порог П2 - аварийный сигнал, при котором печь отключается и в дальнейшем производится ее тщательное обследование для установления причин возникновения аварии.A spectroscope (optical range) measures the optically radiated spectrum, the measured spectral lines are digitized and fed to the furnace protection system, where they are analyzed for the presence of copper. In this case, a comparison is made with two set thresholds: the warning threshold P1 and the disconnection threshold P2. At a high (but still permissible) intensity of copper lines (threshold П1 is triggered), the control computer gives a warning signal, and at an intensity that goes beyond the set threshold П2, an alarm signal is generated, at which the furnace is switched off and then it is carefully examined to determine the causes of the accident .

Одновременно спектроскоп передает данные в измеритель плотности плазмы, где также проводится анализ спектра, определяется степень ионизации вблизи межэлектродного промежутка и поэлементный состав плазмы.At the same time, the spectroscope transmits the data to a plasma density meter, where the spectrum is also analyzed, the degree of ionization near the interelectrode gap and the element-wise composition of the plasma are determined.

Мощность ВЧ генератора и ток катушек соленоида регулируется в зависимости от текущей степени ионизации и текущей добротности (Q) коаксиального резонатора.The power of the RF generator and the current of the coils of the solenoid are regulated depending on the current degree of ionization and the current quality factor (Q) of the coaxial resonator.

На Фиг.3 представлена зависимость длины ¼ волны (м), от времени с начала плавки, полученная в процессе испытаний системы на рабочей печи.Figure 3 presents the dependence of the wavelength ¼ wave (m), from the time from the beginning of melting, obtained in the process of testing the system on a working furnace.

В начале плавки измеренная длина волны составила 2.23, что соответствовало высоте кристаллизатора. Расходуемый электрод был сварен из нескольких частей, причем в месте сварки (точка 1) заметно снижение весовой скорости плавки. Это в очередной раз свидетельствует о высокой чувствительности данного метода.At the beginning of melting, the measured wavelength was 2.23, which corresponded to the height of the mold. The consumable electrode was welded from several parts, and at the place of welding (point 1), a noticeable decrease in the melting weight rate was noticeable. This once again indicates the high sensitivity of this method.

На Фиг.4, 5 представлены оптические спектры дуговой плазмы.Figure 4, 5 presents the optical spectra of the arc plasma.

Испытания системы контроля, собранной по схеме Фиг.1, на промышленной вакуумно-дуговой печи типа ДВС, показали ее высокую эффективность и принципиальную возможность создания ВДП нового поколения.Tests of the control system, assembled according to the scheme of FIG. 1, on an industrial vacuum-arc furnace of the ICE type, showed its high efficiency and the fundamental possibility of creating a new generation of airborne passive control devices.

Цитируемая литератураCited literature

1. Ю.А. Изаксон-Демидов. Автоматическое управление дуговыми вакуумными печами. М. Металлургия, 1966, 84 с.1. Yu.A. Isaacson-Demidov. Automatic control of arc vacuum furnaces. M. Metallurgy, 1966, 84 p.

2. Л.А. Волохонский. Вакуумные дуговые печи. М. Энергоиздат, 1985, 230 с.2. L.A. Volokhonsky. Vacuum arc furnaces. M. Energy Publishing House, 1985, 230 p.

3. М.М. Тельминов, А.А. Филиппенков, И.В. Левин и др. О новых способах контроля качества слитка при вакуумном дуговом переплаве. Расплавы, изд. ″Наука″, №4, 2004, с.9-16.3. M.M. Telminov, A.A. Filippenkov, I.V. Levin et al. On new methods for controlling the quality of an ingot during vacuum arc remelting. Melts, ed. ″ Science ″, No. 4, 2004, p. 9-16.

4. В.Г. Лисиенко, А.А. Найсыров, М.И. Климов и др. Особенности распределения падения напряжения на дуге и частоты капельных замыканий при вакуумном дуговом переплаве титановых сплавов. Н.-Т. Журнал ″Титан″, 1(11). 2002, с.11-16.4. V.G. Lisienko, A.A. Naysyrov, M.I. Klimov et al. Peculiarities of the distribution of voltage drop across the arc and the frequency of dropping faults during vacuum arc remelting of titanium alloys. N.-T. Journal ″ Titanium ″, 1 (11). 2002, pp. 11-16.

5. М.М. Тельминов, А.А. Филиппенков и др. Способ контроля и управления режимами работы вакуумных дуговых печей. Патент РФ. №2240365. Прототип.5. M.M. Telminov, A.A. Filippenkov et al. A method for monitoring and controlling the operating modes of vacuum arc furnaces. RF patent. No. 2240365. Prototype.

Claims

Способ переплава металла в вакуумной электродуговой печи (ВДП), включающий возбуждение электрической дуги между расходуемыми электродами и переплав металла при измерении уровня расплава в кристаллизаторе и весовой скорости плавки по резонансной частоте за заданный период, контроль электрического тока и напряжения на печи, межэлектродного промежутка и напряженности аксиального магнитного поля соленоида в объеме кристаллизатора ВДП, отличающийся тем, что используют ВДП в виде коаксиального резонатора, в котором на резонансной частоте возбуждают электромагнитное поле внешним высокочастотным генератором с системой автоматического слежения за изменением резонансной частоты коаксиального резонатора, одновременно стабилизируют межэлектродный промежуток путем изменения положения торца электрода в зависимости от измеренного текущего уровня расплава в кристаллизаторе и положения расплавляемого торца электрода, повышают температуру торца электрода электромагнитным полем путем дополнительного возбуждения вихревых токов на его торце и создают условия для ″дождевого″ равноплотного мелкого каплепадения металла для исключения гравитационной ликвации и пористости в слитке, капельного замыкания межэлектродного промежутка и уменьшения прикатодного падения напряжения, постоянного тока дугового разряда без изменения весовой скорости плавки и адсорбции возгонов металла на внутреннюю поверхность охлаждаемого кристаллизатора, дополнительно создают в межэлектродном промежутке электромагнитное поле с частотой ниже резонансной частоты коаксиального резонатора, возбуждают этим полем в дуговой плазме магнитозвуковые волны, создающие упругие колебания в расплаве металла на границе фронта кристаллизации и образующие акустический магнитный резонанс в резонансном и магнитном поле соленоида ВДП, при этом стимулируют увеличение образования центров кристаллизации, уменьшают объем жидко-твердой фазы перед фронтом кристаллизации для подавления ликвационных процессов в межкристаллитном пространстве на фронте кристаллизации за счет поглощения энергии при прохождении ширины линии акустического магнитного резонанса модулированным магнитным полем соленоида. A method of remelting a metal in a vacuum electric arc furnace (VDP), including the excitation of an electric arc between consumable electrodes and remelting a metal when measuring the level of the melt in the mold and the weight rate of melting at the resonant frequency for a given period, monitoring the electric current and voltage on the furnace, the interelectrode gap and the voltage axial magnetic field of the solenoid in the volume of the VDP crystallizer, characterized in that they use the VDP in the form of a coaxial resonator, in which at the resonant frequency excite the electromagnetic field with an external high-frequency generator with a system for automatically monitoring the change in the resonant frequency of the coaxial resonator, at the same time stabilize the interelectrode gap by changing the position of the electrode end depending on the measured current level of the melt in the mold and the position of the molten electrode end, increase the temperature of the electrode end by the electromagnetic field by additional excitation eddy currents at its end and create conditions for ″ rain about ″ equal-density shallow dropping of metal to exclude gravity segregation and porosity in the ingot, drip closure of the interelectrode gap and to reduce the near-cathode voltage drop, direct current of the arc discharge without changing the weight rate of melting and adsorption of sublimates of the metal on the inner surface of the cooled mold, additionally create an electromagnetic in the interelectrode gap a field with a frequency below the resonant frequency of the coaxial resonator is excited by this field in an arc plasma magnetosonic waves that create elastic vibrations in the metal melt at the boundary of the crystallization front and form acoustic magnetic resonance in the resonance and magnetic fields of the VDP solenoid, while stimulating an increase in the formation of crystallization centers, and reducing the volume of the liquid-solid phase in front of the crystallization front to suppress segregation processes in intergranular space at the crystallization front due to energy absorption during passage of the line width of the acoustic magnetic resonance by modulated the final field of the solenoid.