Результат интеллектуальной деятельности: РАСХОДУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОД ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ

Изобретение относится к области электрометаллургии и может быть использовано для плавки высокореакционных металлов и сплавов, в частности для выплавки слитков из титана и его сплавов.

Известен расходуемый электрод для выплавки слитков из титана и его сплавов, содержащий взаимно связанные прессованием порционные части кусковых и сыпучих компонентов из титановой губки, лигатуры и возвратных отходов производства. Для улучшения взаимного сцепления между собой отдельных порционных частей электрода их торцевые поверхности выполнены с чередующимися радиальными секторными выступами и впадинами, а также с центральными сферическими выступами и впадинами (Добаткин В. И. и др. Слитки титановых сплавов. - М.: Металлургиздат, 1966, с.46).

Недостатком такого электрода является низкая механическая прочность из-за слабого сцепления между собой малопластичных кусковых и сыпучих компонентов шихты. Следствием этого является разрушение электрода в ряде случаев при транспортировке и плавлении в других печах, брак слитков, аварийные взрывоопасные ситуации при перемещении горения дуги на стенку кристаллизатора, необходимость выполнения большого объема сварочных работ в защитной от окисления атмосфере по упрочнению электродов путем приварки продольных полосовых накладок к поверхности ослабленных участков электрода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является расходуемый электрод вакуумной дуговой электропечи для плавки высокореакционных металлов и сплавов, выполненный из взаимосвязанных посредством сварочных швов заготовок (Гармата В.А. и др. Металлургия титана. - М.: Металлургия, 1968, с.513-514) - прототип.

В таком электроде сварные швы, соединяющие между собой куски отходов, должны иметь сравнительно большое сечение для обеспечения прохождения рабочего тока дуги без существенного разогрева и расплавления швов до расплавления заготовок.

Недостатками электрода являются большая трудоемкость его изготовления при укладке и подгонке кусковых отходов в пределы заданного габарита, а также при сварке их швами достаточного для надежных связей и прохождения электрического тока сечения. Концентрация плотности рабочего тока дуги в сварных швах вызывает более ранний нагрев их, преждевременное расплавление и, как следствие, падение недоплавленных кусков шихты в ванну выплавляемого в кристаллизаторе слитка, что приводит к снижению качества металла, а также создает взрывоопасную ситуацию при отклонении кусков электрода к стенке кристаллизатора во время их плавления, что может вызвать переброс дуги на стенку кристаллизатора и прожог ее. Кроме того, недостатком прототипа является отсутствие возможности вовлекать в состав электрода отходы металла кузнечного, трубного, листо- и сортопрокатного производства.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение механической прочности электрода, повышение силы тока дуги при переплаве электрода за счет формирования токопроводящего элемента из отходов металла кузнечного, прокатного и трубного производств, а также повышение взрывобезопасности процесса плавки.

Поставленная задача решается тем, что расходуемый электрод вакуумной дуговой электропечи для плавки высокореакционных металлов и сплавов, состоящий из взаимосвязанных между собой заготовок, согласно изобретению снабжен токопроводящим элементом, выполненным в виде стержня длиной, равной длине расходуемого электрода, и площадью поперечного сечения не менее величины S, которую определяют по выражению: S=К•J, где J - сила тока дуги при плавлении электрода. А; К - коэффициент, учитывающий плотность тока токопроводящего элемента, К=0,01-0,1 см²/A; S - площадь поперечного сечения токопроводящего элемента, см². Стержень изготавливают из отходов прокатного, трубного и кузнечного производства (труб, прутков и полос) и размещают внутри электрода. Токопроводящий элемент изготавливают в вакуумной дуговой печи в процессе приварки электрода к огарку.

Необходимая площадь поперечного сечения токопроводящего элемента, обеспечивающая стабильный процесс переплава электрода достигается количеством размещенных в центре электрода отходов в виде труб, прутков и полос и зависит от силы тока дуги, на которой ведется переплав электрода.

Коэффициент К выбран с учетом обеспечения необходимой механической прочности электрода (в том числе токопроводящего элемента), исключающий нагрев, деформацию и разрушение электрода во время его плавления.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых схематично показан процесс формирования заявленного расходуемого электрода. На фиг.1:
а - отходы прокатного производства в виде обрези прутков 1, скрепленных между собой прерывистым сварочным швом 2 в форме кольца с пустотой в центре (заготовка будущего электрода).

б - расходуемый электрод, собранный из подготовленных заготовок с размещенным внутри цельным стержнем 4 (токопроводящий элемент). Заготовки электрода по вертикали скреплены полосами 3, приваренными прерывистым сварочным швом.

На фиг.2:
в - расходуемый электрод с размещенными в центре прутками и полосами 5, имеющими длину больше длины электрода, собранный в кристаллизаторе 6 печи.

г - расходуемый электрод с заплавленным токопроводящим элементом, приваренный к огарку (в кристаллизаторе печи).

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- становится возможным использование отходов прокатного, трубного, кузнечного производства без существенных затрат труда на их переработку;
- обеспечивается необходимая механическая прочность электрода при его плавлении за счет снижения количества сварных швов и их возможного разрушения в процессе плавки;
- обеспечивается возможность повышения тока дуги при плавлении электрода за счет стабильного протекания тока через токопроводящий элемент;
- повышается взрывобезопасность процесса плавки благодаря высокой прочности и токопроводности электрода.

Пример 1. Расходуемый электрод изготавливали из отходов сортопрокатного производства, используя обрезь прутков титанового сплава Вт6 диаметром 120 мм длиной 150-180 мм, которые собрали в форме кольца с пустотой в середине (фиг. 1а). Отходы соединили между собой прерывистым сварочным швом (точечная сварка). Получили заготовки для формирования будущего электрода. В качестве токопроводящего элемента был взят стержень из прутка того же сплава длиной 2000 мм (соответствует длине будущего электрода), диаметром 100 мм, который является оптимальным для прохождения тока дуги 7850 А, на котором плавили электрод (коэффициент К=0,01 см²/А). Стержень поместили в центральную часть изготовленного кольца. Остальные кольца разместили по всей длине токопроводящего элемента, приваривая их к элементу точечной сваркой. Для лучшей механической прочности собранный электрод по вертикали соединили пластинами (листовые отходы), которые приварили точечной сваркой (фиг.1б). Изготовленный расходуемый электрод переплавили в вакуумной дуговой электропечи ВД-650 по существующей технологии. Полученный слиток имел соответствующие техническим условиям качество и химический состав и был направлен на дальнейшую переработку.

Пример 2. Предлагаемый расходуемый электрод формировали в кристаллизаторе печи. Для этого отходы прутков диаметром 110 мм длиной 100-200 мм из титанового сплава Вт1-0 подготовили в форме кольца, как в примере 1. Заготовки электрода установили на поддон кристаллизатора на высоту 1200 мм, равной высоте будущего электрода. Затем в центральную пустую часть заготовок поместили отходы в виде трубок, прутков и полос высотой 1300-1400 мм до заполнения пустого пространства, Затем в вакууме произвели в течение 20 мин сплавление выступающих концов токопроводящего элемента на токе дуги 10 кА. Жидкий металл, стекая в зазоры в центральной части электрода, образовал цельный токопроводящий элемент сечением S=380 см². Полученный электрод переплавили по действующей технологии в вакуумной дуговой печи на силе тока дуги 8 кА (коэффициент К=0,0475). Выплавленный слиток направили на дальнейшую переработку.