Патент на изобретение №2309997

(54) КРИСТАЛЛИЗАТОР ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СЛИТКОВ В ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПЕЧАХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии тугоплавких металлов, в частности к оборудованию для получения слитков с электромагнитным воздействием на расплав при кристаллизации в условиях электронно-лучевого нагрева. Кристаллизатор состоит из водоохлаждаемой секционированной гильзы и охватывающий зону секционирования системы электромагнитного перемешивания с короткозамкнутым витком. Секционирующие стенку гильзы щели выполнены в верхней ее части, а ее нижняя часть выполнена в виде сплошного кольца, играющего роль короткозамкнутого витка. На верхнем торце гильзы, соосно ей, закреплено водоохлаждаемое кольцо с наружным диаметром, не меньшим наружного диаметра магнитопровода системы электромагнитного перемешивания. Изобретение позволяет улучшить электронно-лучевое рафинирование за счет эффективного перемешивания расплава в поверхностных слоях ванны в кристаллизаторе при обеспечении стабильного обогрева электронным лучом. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области металлургии тугоплавких металлов, в частности к оборудованию для получения слитков с электромагнитным воздействием на расплав при кристаллизации в условиях электронно-лучевого нагрева.

Широко известны кристаллизаторы для непрерывной разливки стали, которые оснащены системами электромагнитного воздействия на расплав с целью улучшения качества формируемого слитка (В.А.Ефимов, А.С.Эльдарханов. Современные технологии разливки и кристаллизации сплавов. – М.: Машиностроение, 1998. – 360 с.). Особенностью конструктивного исполнения этих кристаллизаторов является то, что системы электромагнитного перемешивания размещаются ниже верхнего среза кристаллизатора и (или) под нижним срезом кристаллизатора. Недостатком такого конструктивного исполнения является то, что в поверхностных слоях ванны в кристаллизаторе интенсивность перемешивания расплава невелика, и это может быть причиной неудовлетворительного рафинирования (например, при плавке в вакууме с целью дегазации).

Известны также кристаллизаторы с системами электромагнитного перемешивания для получения слитков в вакуумно-дуговых и электрошлаковых печах, в которых эти системы размещаются со стороны боковых стенок снаружи кожуха водоохлаждения или между этим кожухом и гильзой (изложницей) кристаллизатора, т.е. также ниже верхнего среза гильзы (А.Л.Андреева, Н.Ф.Аношкин, К.М.Борзецовская и др. Плавка и литье титановых сплавов – М.: Металлургия, 1978. – 384 с.; В.А.Бояршинов, Ал.Г.Шалимов, А.И.Щербаков и др. Рафинирующие переплавы стали и сплавов в вакууме. – М.: Металлургия, 1979. – 303 с.; а.с. СССР №669749, МПК С21С 5/56, 1977). Недостатком этих конструкций является отмеченная выше малая интенсивность перемешивания расплава в верхних слоях ванны в кристаллизаторе.

Известны также плавильные тигли с системами электромагнитного перемешивания для гарнисажной индукционной, вакуумно-дуговой или электронно-лучевой плавки, в которых для интенсификации перемешивания металла водоохлаждаемые гильзы (плавильные емкости) выполняются секционированными с различным конструктивным исполнением секций (А.А.Неуструев, Г.Л.Ходоровский. Вакуумные гарнисажные печи. – М.: Металлургия, 1967. – 272 с.; патент Украины №435579А, МПК С21С 5/56, 2001). Как и в рассмотренных выше устройствах, электромагнитные системы этих тиглей, которые охватывают плавильные емкости, размещаются ниже верхних торцов плавильных емкостей, что снижает интенсивность перемешивания расплава на поверхности ванны.

В настоящее время известны способы рафинирования металла в электронно-лучевых печах при формировании слитков в кристаллизаторах, которые предусматривают подачу в кристаллизатор порции расплава на затвердевшую поверхность и проведение рафинирования этой порции с одновременным воздействием электронным лучом и электромагнитным перемешиванием, а по достижении заданной степени рафинирования металла осуществляют наплавление следующей порции. Каждую порцию металла наплавляют высотой, составляющей 10-25% от диаметра кристаллизатора (патент России №2114928, кл. С22В, 1998). При таком способе рафинирования принципиально важным становится гарантированное обеспечение интенсивного перемешивания расплава в верхней части кристаллизатора, т.е. на поверхности ванны, при стабильном обогреве лучом этой поверхности.

Наиболее близким к заявляемому является кристаллизатор для электронно-лучевой гарнисажной плавки, содержащий водоохлаждаемую секционированную медную гильзу и охватывающую ее систему электромагнитного перемешивания с короткозамкнутым витком, расположенным над этой системой, в котором стенки гильзы выполнены секционированными в зоне, охваченной электромагнитной системой, а выше – в виде короткозамкнутого витка с полостью для охлаждения, соединяющей между собой полости охлаждения секций гильзы по меньшей мере попарно. Стыки секций заполнены неэлектропроводным огнеупорным материалом (В.Б.Чернявский, С.В.Ладохин, А.С.Гладков. Плавильные тигли и кристаллизаторы с системами электромагнитного перемешивания для электронно-лучевой плавки металлов и сплавов. – Процессы литья, 2005, №1).

При таком конструктивном исполнении благодаря наличию короткозамкнутого витка удается уменьшить возмущающее воздействие электромагнитных полей на электронный луч, что обеспечивает более стабильный обогрев поверхности расплава.

Недостатком такого конструктивного решения является снижение воздействия электромагнитных полей на расплав, особенно при его порционной заливке с небольшой массой (и, следовательно, высотой) порции, что ухудшает условия рафинирования. Снижается также производительность процесса. Заполнение стыка секций неэлектропроводным огнеупорным материалом, которое имеет целью электрически изолировать секции, усложняет изготовление тигля.

Задачей изобретения является снижение расходов на электроэнергию и увеличение производительности электронно-лучевого рафинирования за счет эффективного перемешивания расплава в поверхностных слоях ванны в кристаллизаторе при обеспечении стабильного обогрева электронным лучом.

Технический результат достигается тем, что в кристаллизаторе для формирования слитков в электронно-лучевых установках, включающем водоохлаждаемую секционированную гильзу, охватывающую зону секционирования систему электромагнитного перемешивания и короткозамкнутый виток, секционирующие стенку гильзы щели выполнены в верхней части гильзы, а ее нижняя часть выполнена в виде сплошного кольца, играющего роль короткозамкнутого витка, на верхнем торце гильзы, соосно ей, закреплено водоохлаждаемое кольцо с наружным диаметром, не меньшим наружного диаметра магнитопровода системы электромагнитного перемешивания.

Щели между секциями гильзы могут быть выполнены переменной ширины с увеличением размера от внутреннего диаметра гильзы к ее наружному диаметру.

Щели между секциями гильзы могут иметь максимальную ширину, начиная от половины толщины гильзы.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 – кристаллизатор с внутренним диаметром гильзы D;

на фиг.2 – кристаллизатор, вид сверху по А-А фиг.1 с отверстиями для охлаждающей воды.

В кристаллизаторе могут быть получены слитки таких тугоплавких металлов, как ниобий, цирконий, гафний, тантал, с обеспечением рафинирования металла непосредственно в кристаллизаторе.

Кристаллизатор состоит из (фиг.1) медной водоохлаждаемой гильзы 1, системы электромагнитного перемешивания, включающей катушки индуктора 2 и магнитопровод 3, и водоохлаждаемого металлического кольца 4. Бандаж 5 служит для скрепления конструкции. В гильзе 1 выполнены сквозные щели 6, между которыми просверлены отверстия 7 (фиг.2) для циркуляции охлаждающей жидкости (воды). Щели 6 выполнены в верхней части гильзы 1. Нижняя часть гильзы 1 выполнена в виде сплошного кольца 8 высотой h (фиг.1), играющего роль короткозамкнутого витка – коллектора.

Система электромагнитного перемешивания охватывает гильзу 1 в той части по высоте, где выполнены щели 6, причем верхний торец магнитопровода 3 расположен на одном уровне с верхним торцом гильзы 1. Кольцо 4 размещается непосредственно над гильзой 1 и соосно ей, с образованием единого с гильзой 1 внутреннего отверстия диаметром D.

Формирование слитков в кристаллизаторе осуществляют следующим образом. После наведения и затвердевания на поддоне (не показан) первоначальной порции металла-затравки в кристаллизатор подают порцию жидкого металла, которая подвергается рафинирующей обработке. Оптимальный уровень расплава в кристаллизаторе находится на высоте 20-30 мм от верхнего торца водоохлаждаемого кольца 4. При таком уровне перемешивание расплава под действием электромагнитных полей, наводимых системой электромагнитного перемешивания, протекает наиболее интенсивно, поскольку наличие в гильзе 1 щелей 6 делает стенку гильзы практически прозрачной для проникновения электромагнитного поля в расплав. Прозрачность стенки гильзы 1 усиливается за счет выполнения щелей 6 переменной ширины. Для исключения воздействия электромагнитных полей рассеяния на электронный луч служит кольцо 4, в котором эти поля индуктируют ток, поле которого подавляет возмущающее влияние на луч. Кроме того, кольцо 4 защищает магнитную систему от теплового излучения.

Создание интенсивного вертикального перемешивания ванны расплава, включая поверхностные слои, улучшает условия массопереноса атомов примесных элементов к поверхности раздела металл-вакуум и способствует ускоренному протеканию физико-химических процессов на границе раздела металл-вакуум, кроме того, интенсифицируется удаление с поверхности расплава продуктов протекающих химических реакций. Таким образом, при использовании кристаллизатора создаются оптимальные условия для эффективного рафинирования и дегазации расплава.

Применительно к производству ниобия данное изобретение позволяет снизить количество рафинирующих переплавов при получении слитков марки Нб 1 по ГОСТ 16099-80, а также слитков марок R04200 и R04210 по ASTM В391-99. Это обеспечивает снижение себестоимости продукции, главным образом, за счет снижения расходов на электроэнергию и повышение производительности участка электронно-лучевого рафинирования ниобия.

Формула изобретения

1. Кристаллизатор для формирования слитков в электронно-лучевых печах, содержащий водоохлаждаемую секционированную гильзу и охватывающую зону секционирования систему электромагнитного перемешивания с короткозамкнутым витком, отличающийся тем, что гильза выполнена с секциями в верхней части со щелями между ними, а в нижней части – в виде сплошного кольца, используемого в качестве короткозамкнутого витка, при этом на верхнем торце гильзы соосно закреплено водоохлаждаемое кольцо с наружным диаметром, не меньшим наружного диаметра магнитопровода системы электромагнитного перемешивания.

2. Кристаллизатор по п.1, отличающийся тем, что щели между секциями гильзы выполнены переменной ширины с увеличением размера от внутреннего диаметра стенки гильзы к ее наружному диаметру.

3. Кристаллизатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что щели между секциями гильзы выполнены с максимальной шириной, начиная от половины толщины гильзы.

РИСУНКИ