установка для электрошлаковой выплавки крупных полых и сплошных слитков
Классы МПК: | C22B9/187 устройства для этой цели, например печи B22D23/10 электрошлаковое литье |
Автор(ы): | Дуб Алексей Владимирович (RU), Дуб Владимир Семенович (RU), Соколов Сергей Олегович (RU), Каманцев Сергей Владимирович (RU), Каширина Жания Казбековна (RU), Красовский Анатолий Владимирович (RU), Бессонов Александр Васильевич (RU), Левков Леонид Яковлевич (RU), Свитенко Игорь Александрович (RU), Кригер Юрий Николаевич (RU), Берман Леонид Исаевич (RU), Матыцин Николай Федотович (RU), Дементьев Андрей Владимирович (RU), Семенов Виктор Владимирович (RU) |
Патентообладатель(и): | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг РФ) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2011-07-06 публикация патента:
20.07.2012 |
Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано для электрошлаковой выплавки крупных полых слитков с толщиной стенки более 300 мм и сплошных слитков с диаметром больше 300 мм. Установка содержит поддон, вертикальную колонну для перемещения верхней тележки с расходуемым электродом и нижней тележки с верхней секцией для размещения и расплавления расходуемого электрода в шлаковой ванне и нижней секцией для обеспечения геометрических параметров выплавляемых слитков, герметично установленными соосно одна на другой с сопрягаемой поверхностью на границе раздела шлак-металл, и установленные противоположно друг другу для контроля уровня раздела между шлаком и металлом источник и приемник радиоактивного излучения. В верхней и нижней секциях нижней тележки со стороны плавильного пространства выполнен вертикальный паз, герметично совмещаемый при стыковке упомянутых секций, а источник и приемник радиоактивного излучения размещены на расстоянии 8-15 мм до боковых поверхностей упомянутого паза. Изобретение обеспечивает надежность и безопасность плавки крупных слитков за счет использования радиоактивных датчиков уровня. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Формула изобретения
1. Установка для электрошлаковой выплавки крупных полых и сплошных слитков, включающая поддон, вертикальную колонну для перемещения верхней тележки с расходуемым электродом и нижней тележки с верхней секцией для размещения и расплавления расходуемого электрода в шлаковой ванне и нижней секцией для обеспечения геометрических параметров выплавляемых слитков, герметично установленными соосно одна на другой с сопрягаемой поверхностью на границе раздела шлак-металл, и установленные противоположно друг другу для контроля уровня раздела между шлаком и металлом источник и приемник радиоактивного излучения, отличающаяся тем, что в верхней и нижней секциях нижней тележки со стороны плавильного пространства выполнен вертикальный паз, герметично совмещаемый при стыковке упомянутых секций, а источник и приемник радиоактивного излучения размещены на расстоянии 8-15 мм до боковых поверхностей упомянутого паза.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что при выплавке полого слитка дорн закреплен на верхней секции соосно.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано для электрошлаковой выплавки крупных полых слитков с толщиной стенки больше 300 мм и сплошных слитков с диаметром больше 300 мм.
Известен кристаллизатор для электрошлакового переплава, у которого через стенку кристаллизатора введена термопара, входящая в плавильное пространство кристаллизатора. Известная термопара может быть использована для измерения уровня поверхности шлака либо уровня раздела шлак-металл.
При подходе к термопаре шлаковая ванна либо металлическая ванна замыкает электрическую цепь и на регулирующее устройство поступает соответствующий сигнал, по которому можно судить о реальной скорости наплавления слитка.
Однако металлическая ванна покрыта слоем расплавленного шлака, а граница раздела расплава шлак-металл обладает высокой агрессивностью, вследствие чего контактные датчики уровня не выдерживают высоких тепловых нагрузок и характеризуются крайне низкой степенью надежности.
Известен кристаллизатор для электрошлакового переплава, у которого уровень поверхности расплава определяют при помощи водоохлаждаемого теплового датчика по изменению температуры воды на выходе из него. Датчик выполнен из меди и имеет цилиндрическую форму. Передняя поверхность датчика входит в плавильное пространство кристаллизатора и имеется камера для циркуляции охлаждаемой воды, которая движется между входным и выходным патрубками. Термопара размещена в выходном патрубке.
Известный датчик также характеризуется низкой степенью надежности в связи с тем, что в зависимости от режима плавки и от интенсивности охлаждения кристаллизатора между слитком и кристаллизатором образуется застывшая корочка шлака, толщина которой может изменяться в процессе переплава.
В связи с этим расстояние между расплавленным металлом (или шлаком) и датчиком изменяется, что приводит к изменению пика температурной кривой.
Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является известное техническое решение, включающее вертикальную колонну, по которой перемещается верхняя тележка с расходуемым электродом и нижняя техника с верхней и нижней секциями, герметично установленными соосно одна на другой, а также источник и приемник радиоактивного излучения, установленные противоположно друг другу на одной из секций (см. патент Англии № 1521257, В22D 23/06, 11/06, 1974 г.).
В настоящее время это самый надежный вариант отслеживания границы шлак-металл, по которому легко определить реальную скорость наплавления слитка и в случае необходимости скорректировать скорость подачи расходуемого электрода (т.е. скорость его расплавления) и скорость перемещения секций.
Известному техническому решению присуще самая высокая степень точности при самой маленькой величине быстродействия.
Однако с увеличением массы выплавляемых полых и сплошных слитков небольшие безопасные радиоактивные датчики становятся ненадежными из-за рассеивания и поглощения управляемого сигнала большой массы металла.
Увеличение же мощности дозы излучения увеличивает требования по технике безопасности к датчикам, делает их опасными при использовании, что мешает их освоению в производстве.
Они должны соответствовать «Основным санитарным правилам обеспечения радиационной безопасности» (ОСПОРБ-99) и «Гигиеническим требованиям к устройству и эксплуатации радиоизотопных приборов» (СанПиН 2 61.1015-01). При этом требуется государственный контроль и учет таких приборов.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в обеспечении надежности и безопасности электрошлаковой выплавки крупных полых и сплошных слитков с использованием безопасного источника и приемника радиоактивного излучения.
Технический результат достигается тем, что установка содержит поддон, вертикальную колонну для перемещения верхней тележки с расходуемым электродом и нижней тележки с верхней секцией для размещения и расплавления расходуемого электрода в шлаковой ванне и нижней секцией для обеспечения геометрических параметров выплавляемых слитков, герметично установленными соосно одна на другой с сопрягаемой поверхностью на границе раздела шлак-металл, и установленные противоположно друг другу для контроля уровня раздела между шлаком и металлом источник и приемник радиоактивного излучения, при этом в верхней и нижней секциях нижней тележки со стороны плавильного пространства выполнен вертикальный паз, герметично совмещаемый при стыковке упомянутых секций, а источник и приемник радиоактивного излучения размещены на расстоянии 8-15 мм до боковых поверхностей упомянутого паза.
Совокупность предлагаемых признаков обеспечивает достижение технического результата и находится с ним в причинно-следственной связи следующим образом.
Выполнение вертикального паза в верхней и нижней секциях со стороны плавильного пространства, герметично совмещаемого при стыковке упомянутых секций, позволяет часть шлаковой и металлической ванн размещать в упомянутых пазах, при этом перемещению шлаковой и металлической ванн в плавильном пространстве соответствует точно такое же перемещение их в пазах.
Размещение источника и приемника радиоактивного излучения между секциями вблизи боковых поверхностей паза позволяет контролировать поверхность раздела шлак-металл не в плавильном пространстве, а гораздо меньшем пространстве паза, что позволяет, при выплавке крупного полого либо сплошного слитка, значительно сократить расстояние между источником и приемником радиоактивного излучения, а это, в свою очередь, позволяет значительно уменьшить мощность дозы излучения при электрошлаковой выплавке крупных полых и сплошных слитков.
Размещение источника и приемника радиоактивного излучения между секциями позволяет оптимизировать процесс производства полых и сплошных слитков, разместив шлаковую ванну в верхней секции, а металлическую ванну в нижней секции. Это позволяет разделить задачи производства по секциям: верхняя секция обеспечивает размещение и расплавление расходуемого электрода в шлаковой ванне, а нижняя секция управляет глубиной и формой металлической ванны, а также обеспечивает геометрические параметры выплавляемого слитка.
При этом, если нижняя секция находится в зависимости от геометрических параметров выплавляемых слитков, то верхняя секция от размеров слитка не зависит и может быть больше нижней секции в зависимости от технологических параметров: выделяемой мощности в шлаковой ванне, количества шлака, скорости переплава и коэффициента заполнения.
Скорость переплава может несколько раз в процессе выплавки изменяться, что приводит к изменению скорости движения поверхности раздела шлак-металл, которую удобно отслеживать, если размещать источник и приемник радиоактивного излучения между секциями и на уровне раздела между шлаком и металлом, исключая тем самым проникновение жидкого металла в верхнюю секцию, что недопустимо из условий надежности работы установки.
Заявляемое техническое решение представлено на чертежах, где
фиг.1 - общий вид установки для электрошлаковой выплавки крупных полых и сплошных слитков;
фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Фиг.1 включает вертикальную колонну 1, по которой перемещаются верхняя 2 и нижняя 3 тележки. На верхней тележке закреплен полый расходуемый электрод 12, а на нижней тележке 3 закреплены нижняя 8 и верхняя 10 секции, которые герметично установлены соосно одна на другой.
Кроме того, на верхней секции 10 закреплен соосно упомянутым секциям дорн 6. Снизу секции 8 размещен поддон 4, полый слиток 5 с ребром 7 на его боковой поверхности. Установка включает также металлическую ванну 9 и шлаковую ванну 11.
Для удобства чтения чертежа полый слиток 5 преднамеренно не заштрихован.
Фиг.2 включает металлическую ванну 9, нижнюю секцию 8, источник 13 и приемник 16 радиоактивного излучения, а также паз 14 и его боковую поверхность 15.
Установка работает следующим образом.
Расходуемый электрод 12 для выплавления полых слитков 5 закрепляют на верхней тележке 2, которую перемещают совместно с расходуемым электродом в верхнюю часть колонны 1.
На нижней тележке 3 закрепляют соосно состыкованные секции 8 и 10 и опускают их с помощью тележки 3 на поддон 4. Затем верхней тележкой 2 опускают расходуемый электрод 12 и размещают его между верхней секцией 10 и дорном 6.
После этого заливают в плавильное пространство нижней секции 8 жидкий шлак 11, который поступает также в паз 14 и образует общую шлаковую ванну. Затем подключают расходуемый электрод 12 к источнику тока и начинают перемещать тележкой 3 секции 8 и 10 навстречу расходуемому электроду 12 со скоростью, выбранной из условия отсутствия проливов жидкого шлака.
С момента появления тока в шлаковой ванне расходуемый электрод 12 начинает расплавляться с образованием металлической ванны 9, которая также кроме плавильного пространства заполняет и паз 14, образуя с ним общую металлическую ванну, кристаллизующуюся в неподвижно стоящий на поддоне полый слиток 5 с ребром 7 на его боковой поверхности. По мере заполнения жидким шлаком и металлом нижней секции 8 граница раздела шлак-металл приближается к сопрягаемой поверхности между секциями 8 и 10, где размещены в пазу 14 источник 13 и приемник 16 радиоактивного излучения, при этом подается сигнал на тележку 3 для изменения скорости перемещения секций 8 и 10 в соответствие с принятой технологией выплавки.
Таким образом, с помощью радиоактивных датчиков уровня можно регулировать процесс выплавки крупных и даже сверхкрупных слитков без увеличения до опасных значений величины мощности дозы излучения.
Для проверки эффективности заполнения паза жидким шлаком и металлом, а также надежности работы источника и приемника радиоактивного излучения на опытной базе НПО «ЦНИИТМАШ» в отделе металлургии стали были выявлены оптимальные размеры паза, ширина которого должна быть выполнена в пределах 50-300 мм, а расстояние источника и приемника радиоактивного излучения до боковой поверхности 15 паза 14 в пределах 8-15 мм.
При ширине паза меньше 50 мм не гарантируется отсутствие шлаковых и металлических пробок в пазу, а при ширине паза больше 300 мм не гарантируется надежность работы источника и приемника радиоактивного излучения из-за малой величины безопасной дозы излучения.
При расстоянии источника и приемника радиоактивного излучения до боковой поверхности паза меньше 8 мм не удается обеспечить эффективного охлаждения медной стенки в зоне их размещения, что вызывает ее постепенное разрушение, а при увеличении упомянутого расстояния больше 15 мм уменьшается величина сигнала, поступающего на приемник радиоактивного излучения из-за увеличения зависимости от параметров переплава и переменной величины толщины гарнисажа.
В качестве датчиков уровня использовался бесконтактный уровнемер позиционный БПУ-1КМ (сигнализатор уровня) фирмы "НТЦ ЭКОФИЗПРИБОР», имеющей санитарно-эпидемиологическое заключение о соответствии санитарным правилам, при этом мощность дозы излучения не превышает 1,0 МБк и он освобожден от радиационного контроля и учета, т.к. считается безопасным.
Закристаллизовавшийся металл в пазу 14 образует на боковой поверхности выплавляемых слитков ребра 7 в соответствии с размерами паза, которые можно рассматривать, как незначительные прибыли, несравнимо меньшие с литейным производством.
Кроме того, они не обязательно во всех случаях должны быть удалены, т.к. металл, кристаллизующийся в пазах, имеет аналогичное качество с металлом, кристаллизующимся в плавильном пространстве, и поэтому он может быть использован для исследований, что уменьшает величину выплавленного слитка.
Заполнение паза металлом и шлаком показало удовлетворительные результаты, подтверждающие, что на сегодняшний день не существует более надежного варианта электрошлакового выплавления крупных полых и сплошных заготовок.
Производство сплошного слитка отличается от производства полого слитка только геометрией расходуемого электрода и отсутствием дорна, что, по мнению заявителя, не требует каких-либо дополнительных разъяснений.
Класс C22B9/187 устройства для этой цели, например печи
Класс B22D23/10 электрошлаковое литье