RU2413595C2 - Method of producing spherical granules of refractory and chemically active metals and alloys, device to this end and device to fabricate initial consumable billet to implement said method - Google Patents
Method of producing spherical granules of refractory and chemically active metals and alloys, device to this end and device to fabricate initial consumable billet to implement said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2413595C2 RU2413595C2 RU2008149292/02A RU2008149292A RU2413595C2 RU 2413595 C2 RU2413595 C2 RU 2413595C2 RU 2008149292/02 A RU2008149292/02 A RU 2008149292/02A RU 2008149292 A RU2008149292 A RU 2008149292A RU 2413595 C2 RU2413595 C2 RU 2413595C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- crucible
- melt
- vacuum
- arc
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Crucibles And Fluidized-Bed Furnaces (AREA)
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии и направлено на получение порошков, состоящих из сферических гранул жаропрочных и химически активных металлов и сплавов.The invention relates to the field of powder metallurgy and is directed to producing powders consisting of spherical granules of heat-resistant and chemically active metals and alloys.
Известен способ получения гранул посредством распыления металлического расплава газовым потоком [см. Г.А.Либенсон. Основы порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1975, с.114-115], включающий расплавление металла, например, в индукционной печи, слив расплава, направление газового потока на свободно истекающую струю металлического расплава, диспергирование струи в результате отрыва от нее пленок и капель расплава, кристаллизация гранул в газовой среде.A known method of producing granules by spraying a metal melt with a gas stream [see G.A. Libenson. Fundamentals of powder metallurgy. M .: Metallurgy, 1975, p.114-115], including the melting of the metal, for example, in an induction furnace, the discharge of the melt, the direction of the gas stream to a freely flowing stream of metal melt, dispersion of the stream as a result of separation of films and droplets of melt from it, crystallization granules in a gas environment.
Распыление производят сжатым воздухом, азотом, аргоном. В процессе распыления расплава поверхностное натяжение стремится обеспечить наименьшее отношение поверхности капли к ее объему. Этим методом можно получать частицы сферической формы, так как этому условию удовлетворяет именно шар.Spraying is done with compressed air, nitrogen, argon. In the process of spraying the melt, the surface tension tends to provide the smallest ratio of the surface of the droplet to its volume. Using this method, it is possible to obtain particles of a spherical shape, since it is the ball that satisfies this condition.
На средний размер и форму образующихся частиц влияют скорость и расход газового потока, диаметр струи расплава, температура, поверхностное натяжение и вязкость расплава. Кроме того, очень важно, в какой среде производят распыление, а также конструктивное оформление форсуночного устройства.The average size and shape of the resulting particles are affected by the speed and flow rate of the gas stream, the diameter of the melt jet, temperature, surface tension and melt viscosity. In addition, it is very important in which environment spraying is carried out, as well as the design of the nozzle device.
Существенным недостатком распыления металлического расплава сжатым газом является образование в гранулах закрытой газовой пористости. Газ захлопывается в грануле под действием сил поверхностного натяжения, вызывающих сворачивание оторвавшейся от струи пленки. К недостаткам процесса следует отнести также большой расход газа и необходимость применения дорогих систем регенерации газа.A significant drawback of spraying a metal melt with compressed gas is the formation of closed gas porosity in the granules. The gas slams in the granule under the action of surface tension forces, causing the film to tear off from the jet. The disadvantages of the process include the high gas flow rate and the need to use expensive gas recovery systems.
Кроме того, этот метод не применим для жаропрочных и химически активных сплавов, качество которых не выдерживает критики из-за взаимодействия расплава с кислородом воздуха. Содержание чисто сферических частиц в исходном продукте мало, так как грануляция идет в принудительном потоке.In addition, this method is not applicable for heat-resistant and chemically active alloys, the quality of which does not withstand criticism due to the interaction of the melt with atmospheric oxygen. The content of purely spherical particles in the initial product is small, since granulation occurs in a forced flow.
Известен также способ получения металлических гранул через перфорированный стакан [патент RU №1827325], который при известных достоинствах (высокая производительность, однородность частиц по размерам), имеет и существенный недостаток - невозможность получения мелких частиц (менее 200-300 мкм) и их невысокий выход (менее 10%). Гранулирование может выполняться в воде, керосине или другой инертной жидкой среде. При этом значительно уменьшаются требуемые производственные площади, однако появляется операция сушки гранул. Гранулирование в воздухе или инертном газе (аргон, азот) позволяет получать гранулы сферической формы, но приводит к увеличению размеров камеры распыления. Этим методом можно получать гранулы и дробь лишь из легкоплавких металлов: алюминия, магния, свинца, цинка, олова, температура плавления которых не превышает 700°С.There is also a method of producing metal granules through a perforated glass [patent RU No. 1827325], which, with known advantages (high productivity, particle uniformity in size), has a significant drawback - the inability to obtain small particles (less than 200-300 microns) and their low yield (less than 10%). Granulation can be carried out in water, kerosene or other inert liquid medium. At the same time, the required production area is significantly reduced, however, the operation of drying the granules appears. Granulation in air or inert gas (argon, nitrogen) allows to obtain spherical granules, but leads to an increase in the size of the spray chamber. Using this method, granules and fractions can be obtained only from low-melting metals: aluminum, magnesium, lead, zinc, tin, the melting temperature of which does not exceed 700 ° C.
Известны способы получения гранул, когда источником для расплава служит расходуемая заготовка. В качестве расплавляемой расходуемой заготовки в этих способах может использоваться как металлический стержень [см. патенты RU №860683, RU №1722221, RU №2171160], оплавляемый от независимого источника нагрева, например плазменной горелки, электронно-лучевой пушки и др., так и плавящийся расходуемый электрод [см. патент США №33752610, патент RU №2173609]. В перечисленных патентах в результате возбуждения электрической дуги происходит плавление расходуемой заготовки. Затем из полученного расплава изготавливают сферические гранулы.Known methods for producing granules, when the source for the melt is a consumable workpiece. As a melt consumable billet in these methods can be used as a metal rod [see patents RU No. 860683, RU No. 1722221, RU No. 2171160], fused from an independent heating source, such as a plasma torch, electron beam gun, etc., and a consumable consumable electrode [see US patent No. 33752610, patent RU No. 2173609]. In the aforementioned patents, as a result of the excitation of the electric arc, the consumable is melted. Then, spherical granules are made from the obtained melt.
Недостатком известных способов является сложность и трудоемкость процессов изготовления исходных расходуемых заготовок, являющихся в дальнейшем источником расплава для получения сферических гранул. Расплавляемые заготовки, в том числе и плавящиеся расходуемые электроды, из которых будут получены сферические гранулы, для обеспечения требуемого качества расплава изготавливаются по сложной технологии.A disadvantage of the known methods is the complexity and complexity of the manufacturing processes of the original consumable blanks, which are subsequently a source of melt to obtain spherical granules. Melted billets, including consumable consumable electrodes, from which spherical granules will be obtained, are made using sophisticated technology to ensure the required quality of the melt.
Наиболее близким к заявляемому изобретению из известных способов и устройств является способ и устройство получения гранул высокореакционных металлов и сплавов, описанные в патенте RU №2173609. Известный способ включает изготовление расходуемой заготовки (в данном случае расходуемого оплавляемого электрода), установку ее в держателе с возможностью продольного перемещения. Возбуждение плазменной дуги и плавление заготовки плазменно-дуговым способом с подачей плазмообразующего газа. Подогрев полученного расплава электродуговым плазмотроном для усреднения химического состава и очистки расплавов от тугоплавких включений. Направление расплава в тигель и вращение расплава вместе с тиглем, обеспечивая распыление расплава под действием центробежных сил. Установку частоты вращения тигля в зависимости от заданной крупности порошка.Closest to the claimed invention from known methods and devices is a method and device for producing granules of highly reactive metals and alloys described in patent RU No. 2173609. The known method includes the manufacture of a sacrificial blank (in this case, a consumable reflowable electrode), installing it in a holder with the possibility of longitudinal movement. Excitation of a plasma arc and melting of a workpiece by a plasma-arc method with the supply of a plasma-forming gas. Heating the obtained melt with an electric arc plasmatron to average the chemical composition and clean the melts from refractory inclusions. The direction of the melt into the crucible and the rotation of the melt together with the crucible, providing spraying of the melt under the action of centrifugal forces. Setting the crucible rotation speed depending on the given powder size.
Известное устройство содержит камеру плавления цилиндрической формы, имеющую днище и крышку. В крышке соосно с камерой плавления установлена заготовка, выполненная в виде стержня, закрепленного в держателе с возможностью продольного перемещения, а днище камеры имеет приспособление для выгрузки сферических гранул. Камера плавления содержит распыляющее устройство, установленное соосно заготовке и выполненное в виде вращающегося с регулируемой частотой токопроводящего тигля. Устройство содержит также электродуговой плазмотрон, установленный наклонно под углом β к оси вращения тигля, содержащий устройство для подачи плазмообразующего газа и предназначенный для обогрева кромки распылителя. Для очистки расплава от нежелательных неметаллических включений и усреднения химического состава в известном устройстве используется промежуточная емкость.The known device comprises a cylindrical melting chamber having a bottom and a lid. In the lid coaxially with the melting chamber there is a workpiece made in the form of a rod fixed in a holder with the possibility of longitudinal movement, and the bottom of the chamber has a device for unloading spherical granules. The melting chamber contains a spray device mounted coaxially to the workpiece and made in the form of a conductive crucible rotating with a variable frequency. The device also contains an electric arc plasmatron mounted obliquely at an angle β to the axis of rotation of the crucible, containing a device for supplying a plasma-forming gas and designed to heat the edge of the atomizer. To clean the melt from undesirable non-metallic inclusions and averaging the chemical composition in the known device uses an intermediate tank.
В известном способе и устройстве в одном процессе и в одной установке решают две задачи: очистка от неметаллических включений и гомогенизация расплава в промежуточной емкости, расположенной между вертикально установленным плавящимся расходуемым электродом и вращающимся тиглем, и получение сферических гранул из расплава, перетекающего из сливного отверстия промежуточной емкости во вращающийся тигель.In the known method and device in one process and in one installation they solve two problems: cleaning from non-metallic inclusions and homogenizing the melt in an intermediate tank located between a vertically mounted consumable consumable electrode and a rotating crucible, and obtaining spherical granules from the melt flowing from the drain hole of the intermediate containers into a rotating crucible.
В известном способе очистка расплава от неметаллических включений происходит неэффективно, так как промежуточная емкость играет слабую рафинирующую роль и при этом усложняет процесс распыления. Промежуточная емкость не позволяет регулировать расход слива расплава в достаточно широких пределах. Диаметр сливного отверстия в промежуточной емкости не может быть меньше определенной величины, так как происходит зарастание сливного отверстия и переполнение промежуточной емкости, что обусловлено постоянным горением дуги от плавящегося расходуемого электрода. При этом неметаллические включения попадают в расплав, загрязняя его нежелательными примесями. Уменьшение тока и тем более отключение дуги приводит к охлаждению и затвердеванию расплава в промежуточной емкости. Диаметр сливного отверстия не может быть больше определенной величины, так как емкость пустеет и рафинирование прекращается. Таким образом, медленный слив расплава из промежуточной емкости не возможен, а быстрый слив металла из емкости приводит к возникновению пленочного режима распыления и образованию в гранулах закрытой газовой пористости. Разнонаправленные силы поверхностного натяжения действуют на отрывающиеся от кромки тигля пленки расплава и приводят к их сворачиванию и захлопыванию пузырьков газа внутри гранул, образуя в гранулах поры. Это приводит к снижению прочности изделий, получаемых из гранул.In the known method, the cleaning of the melt from non-metallic inclusions is inefficient, since the intermediate tank plays a weak refining role and at the same time complicates the spraying process. The intermediate tank does not allow melt discharge to be regulated within a sufficiently wide range. The diameter of the drain hole in the intermediate tank cannot be less than a certain value, since the drain hole is overgrown and the intermediate tank overflows due to the constant burning of the arc from the consumable consumable electrode. In this case, non-metallic inclusions enter the melt, polluting it with undesirable impurities. A decrease in current and, moreover, arc switching off leads to cooling and solidification of the melt in the intermediate vessel. The diameter of the drain hole cannot be larger than a certain size, as the tank becomes empty and refining stops. Thus, a slow discharge of the melt from the intermediate vessel is not possible, and a quick discharge of metal from the vessel leads to a film spraying regime and the formation of closed gas porosity in the granules. Multidirectional surface tension forces act on the melt films detached from the crucible edge and lead to their folding and collapse of gas bubbles inside the granules, forming pores in the granules. This leads to a decrease in the strength of products obtained from granules.
Кроме этого, в известном способе и устройстве в качестве расплавляемой заготовки (расходуемого электрода) используют прессованный электрод, что не может обеспечить однородности получаемых гранул по составу, снижая их качество. Шихтовые материалы не могут быть равномерно распределены по длине и сечению прессованных электродов. Электроды для выплавки, например, титановых сплавов прессуются из разнородных материалов, губчатого титана, стружки, листовой обрези, кусковых отходов, облоя от штамповок, лигатур. Прессованный электрод вносит дополнительное загрязнение, которое приходится удалять с помощью промежуточной емкости.In addition, in the known method and device, a pressed electrode is used as a melt billet (consumable electrode), which cannot ensure uniformity of the obtained granules in composition, reducing their quality. Burden materials cannot be uniformly distributed along the length and cross section of pressed electrodes. Electrodes for smelting, for example, titanium alloys are pressed from dissimilar materials, sponge titanium, shavings, sheet trimmings, lump waste, burst from stampings, ligatures. The pressed electrode introduces additional contamination, which must be removed using an intermediate tank.
Известны устройства для получения расходуемых заготовок, в том числе расходуемых электродов, содержащие вакуумную плавильную камеру, по крайней мере, одну изложницу, имеющую форму стержня и расположенную в нижней части камеры, и источник плавления металла, осуществляющий плавление в условиях вакуума с помощью дугового разряда (смотри А.А.Ерохин "Плазменно-дуговая плавка металлов и их сплавов" изд-во Наука, М., 1975, с.17-19).Known devices for producing consumable workpieces, including consumable electrodes, containing a vacuum melting chamber, at least one mold having a rod shape and located in the lower part of the chamber, and a metal melting source that melts in a vacuum using an arc discharge ( see A.A. Erokhin "Plasma-arc melting of metals and their alloys" publishing house Nauka, M., 1975, p.17-19).
Чтобы в вакуумно-дуговой печи получить равномерное распределение легирующих компонентов сплава, необходимо делать несколько переплавов. Это дорого и энергоемко, а также приводит к увеличению диаметра слитка после каждого переплава. После такого усреднения химического состава слиток необходимо подвергать деформации, чтобы перевести его в электрод. Предлагаемое в известном техническом решении использование слитков первого переплава не позволяет получать однородные по химическому составу гранулы. Неоднородность электродов переходит в неоднородность гранул.In order to obtain a uniform distribution of alloying alloy components in a vacuum arc furnace, several remelting is necessary. This is expensive and energy intensive, and also leads to an increase in the diameter of the ingot after each remelting. After such averaging of the chemical composition of the ingot, it is necessary to deform it in order to transfer it to the electrode. The use of ingots of the first remelting proposed in the known technical solution does not make it possible to obtain granules that are uniform in chemical composition. The heterogeneity of the electrodes becomes the inhomogeneity of the granules.
Недостатком способа и устройства, описанных в патенте RU №2173609, является также использование в нем двух источников нагрева: одновременно горят две дуги, от расходуемого электрода и от плазмотрона. Усложняется процесс регулирования одновременной работы двух источников питания, увеличивается расход электроэнергии. Процесс осуществим лишь при достаточно большом сливном отверстии в промежуточной емкости, что приводит к пленочному распылению и образованию газовых пор в гранулах.The disadvantage of the method and device described in patent RU No. 2173609 is the use of two heat sources in it: two arcs burn simultaneously, from the consumable electrode and from the plasma torch. The process of regulating the simultaneous operation of two power sources is becoming more complicated, and energy consumption is increasing. The process is feasible only with a sufficiently large drain hole in the intermediate tank, which leads to film spraying and the formation of gas pores in the granules.
Задачей заявляемых изобретений является повышение качества сферических гранул за счет исключения внутренней пористости и обеспечения однородности состава, уменьшение размеров сферических гранул, повышение их прочности и экономичности процесса изготовления.The task of the claimed invention is to improve the quality of spherical granules by eliminating internal porosity and ensuring uniformity of composition, reducing the size of spherical granules, increasing their strength and the efficiency of the manufacturing process.
При решении поставленной задачи достигается следующий технический результат:When solving this problem, the following technical result is achieved:
- получение однородных по химическому составу сферических гранул, не содержащих нежелательных примесей;- obtaining homogeneous in chemical composition of spherical granules that do not contain undesirable impurities;
- организация капельного режима распыления, обеспечивающего образование сферических гранул без внутренней пористости, снижающей длительную прочность изделий, изготовленных из гранул;- organization of a droplet spraying mode, which ensures the formation of spherical granules without internal porosity, which reduces the long-term strength of products made from granules;
- получение сферических гранул меньшего размера за счет организации отрыва от кромки тигля в процессе центробежного распыления более мелких капель;- obtaining smaller spherical granules due to the organization of separation from the edge of the crucible in the process of centrifugal spraying of smaller drops;
- обеспечение насыщения расплава, из которого центробежным распылением получаются сферические гранулы, азотом, что повышает их прочность за счет дополнительного легирования металла азотной плазмой;- ensuring the saturation of the melt, from which spherical granules are obtained by centrifugal spraying, with nitrogen, which increases their strength due to the additional alloying of the metal with nitrogen plasma;
- исключение промежуточных стадий между процессами плавления исходной заготовки и ее распылением для получения сферических гранул, что делает способ более простым и экономичным.- the elimination of intermediate stages between the melting processes of the initial billet and its spraying to obtain spherical granules, which makes the method simpler and more economical.
Поставленная задача решается, а достигаемый технический результат обеспечивается в способе получения сферических гранул жаропрочных и химически активных металлов и сплавов, включающем изготовление исходной расходуемой заготовки, установку ее в держателе с возможностью продольного перемещения в камере плавления, расплавление исходной расходуемой заготовки с помощью плазменной дуги, образованной за счет подачи плазмообразующего газа в электродугой плазмотрон, направление расплава в токопроводящий тигель, вращающийся с регулируемой частотой вращения, и распыление расплава под действием центробежных сил с образованием отрывающихся от кротки тигля сферических гранул заданной крупности, отличающийся тем, что в качестве исходной расходуемой заготовки используют металлический стержень, полученный в вакуумно-плазменной гарнисажной печи, а плазменную дугу для расплавления исходной расходуемой заготовки возбуждают между электродуговым плазмотроном, расположенным под углом β к оси вращения тигля, и токопроводящим тиглем с образованием плазменного факела, при этом исходную расходуемую заготовку помещают в зону действия факела непосредственно над вращающимся тиглем, и осуществляют ее продольную подачу с одновременным вращением, а кромки тигля выполняют из материала, обеспечивающего уменьшение краевого угла смачивания кромки жидким расплавом и силы поверхностного натяжения, удерживающей каплю на поверхности кромки при вращении тигля, в процессе плавления осуществляют регулирование расхода плазмообразующего газа, мощности электрической дуги и продольной скорости подачи исходной расходуемой заготовки.The problem is solved, and the technical result is achieved in a method for producing spherical granules of heat-resistant and chemically active metals and alloys, including the manufacture of the original sacrificial workpiece, its installation in the holder with the possibility of longitudinal movement in the melting chamber, melting of the original consumable workpiece using a plasma arc formed due to the supply of plasma-forming gas to the electric arc, the plasma torch, the direction of the melt in the conductive crucible, rotating with adjustable frequency of rotation, and spraying the melt under the action of centrifugal forces with the formation of spherical granules separated from the crucible of the crucible of a given size, characterized in that the metal rod obtained in a vacuum-plasma skull furnace is used as the initial consumable billet, and the plasma arc is used to melt the initial consumable billet excite between an electric arc plasmatron located at an angle β to the axis of rotation of the crucible, and a conductive crucible with the formation of a plasma torch, while one consumable workpiece is placed in the zone of the torch directly above the rotating crucible, and its longitudinal feeding is performed with simultaneous rotation, and the crucible edges are made of material that reduces the contact angle of wetting of the edge with molten melt and the surface tension holding a drop on the edge surface during the rotation of the crucible , during the melting process, the flow rate of the plasma-forming gas, the power of the electric arc, and the longitudinal feed rate of the initial consumable charge are controlled goods.
При этом на внутренней поверхности тигля могут создавать гарнисажный слой, представляющий собой застывшую пленку расплавленного металла.Moreover, on the inner surface of the crucible can create a skull layer, which is a frozen film of molten metal.
Регулирование мощности электрической дуги могут осуществлять в зависимости от диаметра тигля и состава исходной расходуемой заготовки.The power control of the electric arc can be carried out depending on the diameter of the crucible and the composition of the original consumable workpiece.
Расход плазмообразующего газа могут регулировать в зависимости от длины и стабильности плазменного факела.The plasma gas flow rate can be adjusted depending on the length and stability of the plasma torch.
Кроме того, угол β могут выбирать в диапазоне 50-70° в зависимости от диаметра тигля и диаметра исходной расходуемой заготовки.In addition, the angle β can be selected in the range of 50-70 ° depending on the diameter of the crucible and the diameter of the original consumable workpiece.
При этом для равномерного нагрева внутренней стенки и кромки тигля плазменным факелом величину угла β могут изменять в процессе плавления в диапазоне ±5°, осуществляя покачивание наклонного плазмотрона в вертикальной плоскости.Moreover, for uniform heating of the inner wall and the edge of the crucible with a plasma torch, the angle β can be changed during the melting process in the range of ± 5 °, swaying the inclined plasmatron in the vertical plane.
В качестве плазмообразующего газа могут использовать азот.Nitrogen may be used as the plasma gas.
Также в качестве плазмообразующего газа могут использовать аргон.Argon may also be used as the plasma gas.
Кроме этого, в качестве плазмообразующего газа могут использовать смесь аргона и азота.In addition, a mixture of argon and nitrogen can be used as a plasma-forming gas.
При этом могут осуществлять регулирование соотношения компонентов в плазмообразующем газе.In this case, they can regulate the ratio of components in a plasma-forming gas.
Также могут использовать систему циркуляции и очистки плазмообразующего газа для экономии компонентов, входящих в его состав.They can also use the system of circulation and purification of a plasma-forming gas to save the components included in its composition.
Поставленная задача решается, а достигаемый технический результат обеспечивается в устройстве для получения сферических гранул жаропрочных и химически активных металлов и сплавов, содержащем камеру плавления цилиндрической формы, имеющую днище и крышку, в которой соосно с камерой плавления установлена исходная расходуемая заготовка, закрепленная в держателе камеры с возможностью продольного перемещения, а днище камеры имеет приспособление для выгрузки сферических гранул; камера плавления содержит распыляющее устройство, установленное соосно исходной расходуемой заготовке и выполненное в виде вращающегося с регулируемой частотой вращения токопроводящего тигля, и электродуговой плазмотрон, установленный наклонно, под углом β, к оси вращения тигля и содержащий устройство для подачи плазмообразующего газа, за счет того, что электродуговой плазмотрон установлен с возможностью изменения угла β и предназначен для расплавления исходной расходуемой заготовки, причем токопроводящий тигель выполнен из графита и имеет медный водоохлаждаемый корпус, а кромка тигля выполнена или имеет покрытие из материала, обеспечивающего уменьшение краевого угла смачивания поверхности кромки жидким расплавом и снижение силы поверхностного натяжения, удерживающей каплю расплава на поверхности кромки тигля в процессе его вращении, при этом плазмотрон и тигель подключены к управляемому источнику питания, обеспечивающему регулирование мощности плазменной дуги, устройство подачи плазмообразующего газа содержит регулятор расхода, а держатель заготовки выполнен таким образом, что позволяет обеспечивать продольное перемещение исходной расходуемой заготовки с одновременным ее вращением, и содержит регулирующее устройство, обеспечивающее изменение продольной скорости подачи исходной расходуемой заготовки.The problem is solved, and the technical result is achieved in a device for producing spherical granules of heat-resistant and chemically active metals and alloys, containing a cylindrical-shaped melting chamber, having a bottom and a lid, in which the initial consumable workpiece is mounted coaxially with the melting chamber and is fixed in the chamber holder with the possibility of longitudinal movement, and the bottom of the chamber has a device for unloading spherical granules; the melting chamber contains a spraying device mounted coaxially with the initial sacrificial workpiece and made in the form of a conductive crucible rotating with a variable rotation speed, and an electric arc plasmatron mounted obliquely, at an angle β, to the crucible axis of rotation and containing a plasma gas supply device, due to that the arc plasma torch is mounted with the possibility of changing the angle β and is intended to melt the initial sacrificial workpiece, and the conductive crucible is made of graphite and it has a copper water-cooled case, and the crucible edge is made or has a coating of material that provides a reduction in the wetting angle of the edge surface with liquid melt and a decrease in the surface tension force holding a melt drop on the surface of the crucible edge during its rotation, while the plasma torch and crucible are connected to a controlled power source that provides control of the plasma arc power, the plasma-forming gas supply device contains a flow regulator, and the blank holder holds nen in such a way that allows for longitudinal movement of the original sacrificial workpiece with its simultaneous rotation, and contains a control device that provides a change in the longitudinal feed rate of the original consumable workpiece.
При этом в днище камеры плавления могут быть размещены контейнеры-накопители для сбора сферических гранул.At the same time, storage containers for collecting spherical granules can be placed in the bottom of the melting chamber.
Камера плавления может содержать вакуумный затвор, установленный в крышке камеры.The melting chamber may include a vacuum shutter installed in the lid of the chamber.
Кроме того, угол β может составлять 50-70°.In addition, the angle β may be 50-70 °.
Притом изменение угла установки электродугового плазмотрона β в процессе плавления может обеспечиваться за счет устройства, осуществляющего покачивание плазмотрона в вертикальной плоскости в диапазоне ±5°.Moreover, the change in the angle of installation of the electric arc plasma torch β during the melting process can be achieved by means of a device that swings the plasma torch in a vertical plane in the range of ± 5 °.
Устройство для подачи плазмообразующего газа может быть подключено к источнику азота.A plasma gas supply device may be connected to a nitrogen source.
Также устройство для подачи плазмообразующего газа может быть подключено к источнику аргона.Also, a plasma gas supply device can be connected to an argon source.
Кроме этого, устройство для подачи плазмообразующего газа может быть подключено к источникам аргона и азота.In addition, a plasma gas supply device can be connected to sources of argon and nitrogen.
При этом система подключения к источникам аргона и азота может содержать устройство для регулирования соотношения аргона и азота, входящих в состав плазмообразующего газа.Moreover, the system for connecting to sources of argon and nitrogen may contain a device for controlling the ratio of argon and nitrogen, which are part of the plasma-forming gas.
Кроме того, устройство может содержать систему циркуляции и очистки плазмообразующего газа для экономии компонентов, входящих в его состав.In addition, the device may include a system for circulating and purifying a plasma-forming gas to save components included in its composition.
Поставленная задача решается, а достигаемый технический результат обеспечивается в устройстве для изготовления исходной расходуемой заготовки для получения сферических гранул жаропрочных и химически активных металлов и сплавов, содержащем вакуумную плавильную камеру, по крайней мере, одну изложницу, имеющую форму стержня и расположенную в нижней части камеры, и источник плавления металла, осуществляющий плавление в условиях вакуума с помощью дугового разряда, отличающийся тем, что вакуумная плавильная камера выполнена в виде вакуумно-дуговой гарнисажной печи, в которой размещен медный водоохлаждаемый тигель, а источник плавления металла выполнен в виде вакуумного плазмотрона, обеспечивающего ионизацию плазмообразующего газа в условиях вакуума с образованием вакуумной плазменной дуги, при этом вакуумный плазмотрон установлен под углом относительно вертикальной оси тигля и расположен на его периферии, вне зеркала расплава, а печь снабжена системами электромагнитного управления вакуумной плазменной дугой и электромагнитного перемешивания расплава, в виде верхней и нижней групп электромагнитов, при этом верхняя группа электромагнитов предназначена для вытягивания дуги из межэлектродного промежутка, формирования ее в виде петли и перемещения из одного сектора тигля в другой, и установлена выше отметки максимально допустимого уровня расплава в тигле, а нижняя группа электромагнитов предназначена для управления электромагнитным перемешиванием расплава в горизонтальной и вертикальной плоскостях, расположена ниже отметки максимально допустимого уровня расплава в тигле и содержит магниты, создающие тангенциально направленные к внутренней поверхности водоохлаждаемого тигля магнитные поля.The problem is solved, and the technical result is achieved in a device for manufacturing the initial consumable billet for producing spherical granules of heat-resistant and chemically active metals and alloys containing a vacuum melting chamber, at least one mold having a rod shape and located in the lower part of the chamber, and a metal melting source, performing melting in a vacuum using an arc discharge, characterized in that the vacuum melting chamber is made in the form of a vacuum o-arc skull furnace, in which a copper water-cooled crucible is placed, and the metal melting source is made in the form of a vacuum plasmatron providing ionization of the plasma-forming gas under vacuum with the formation of a vacuum plasma arc, while the vacuum plasmatron is installed at an angle relative to the vertical axis of the crucible and is located on its periphery, outside the melt mirror, and the furnace is equipped with electromagnetic control systems for a vacuum plasma arc and electromagnetic melt mixing, in the form of a top th and lower groups of electromagnets, while the upper group of electromagnets is designed to pull the arc from the interelectrode gap, form it in the form of a loop and move from one sector of the crucible to another, and is set above the maximum permissible melt level in the crucible, and the lower group of electromagnets is intended for controls the electromagnetic mixing of the melt in the horizontal and vertical planes, is located below the maximum permissible level of the melt in the crucible and contains magnets, creating magnetic fields tangentially directed toward the inner surface of the water-cooled crucible.
При этом вакуумный плазмотрон может представлять собой полый катод, изготовленный из тугоплавкого термоэмиссионного материала, например вольфрама, закрепленный в катододержателе, который может иметь осевое отверстие для подачи плазмообразующего газа.In this case, the vacuum plasmatron may be a hollow cathode made of a refractory thermionic emission material, for example tungsten, mounted in a cathode holder, which may have an axial hole for supplying a plasma-forming gas.
Отметка максимально допустимого уровня расплава в тигле может быть расположена, по крайней мере, на 50-100 мм ниже его верхней кромки.The mark of the maximum permissible level of the melt in the crucible can be located at least 50-100 mm below its upper edge.
Медный водоохлаждаемый тигель может быть выполнен с возможностью перемещения и иметь сливной носок.Copper water-cooled crucible can be made with the ability to move and have a drain toe.
Кроме того, изложницы могут быть выполнены с возможностью перемещения и установлены на вращающемся литейном столе.In addition, the molds can be made with the possibility of movement and mounted on a rotating casting table.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства для получения сферических гранул жаропрочных и химически активных металлов и сплавов; на фиг.2 - общий вид устройства для получения исходной расходуемой заготовки.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of a device for producing spherical granules of heat-resistant and chemically active metals and alloys; figure 2 is a General view of the device to obtain the original consumable workpiece.
Устройство для получения сферических гранул жаропрочных и химически активных металлов и сплавов (Фиг.1) содержит камеру плавления (1) цилиндрической формы, имеющую днище (2) и крышку (3). В крышке соосно с камерой плавления установлена исходная расходуемая заготовка (4) в виде металлического стержня, закрепленного в держателе (5) с возможностью продольного перемещения и одновременного вращения. Камера плавления имеет вакуумный затвор (6), установленный в крышке камеры. В днище камеры плавления размещены контейнеры-накопители (7) для сбора сферических гранул. Камера плавления содержит распыляющее устройство, размещенное под исходной расходуемой заготовкой, установленное соосно ей и выполненное в виде вращающегося с регулируемой частотой вращения токопроводящего тигля (8), и электродуговой плазмотрон (9). Электродуговой плазмотрон установлен над вращающимся тиглем под углом β к оси вращения тигля и содержит устройство для подачи плазмообразующего газа. Устройство для подачи плазмообразующего газа подключено к источнику плазмообразующего газа (аргона и/или азота) и содержит регулятор расхода плазмообразующего газа (10).A device for producing spherical granules of heat-resistant and chemically active metals and alloys (Fig. 1) comprises a cylindrical-shaped melting chamber (1) having a bottom (2) and a cover (3). In the lid coaxially with the melting chamber, the initial sacrificial blank (4) is installed in the form of a metal rod fixed in the holder (5) with the possibility of longitudinal movement and simultaneous rotation. The melting chamber has a vacuum shutter (6) installed in the chamber lid. In the bottom of the melting chamber placed storage containers (7) for collecting spherical granules. The melting chamber contains a spray device located under the initial sacrificial workpiece, mounted coaxially and made in the form of a conductive crucible (8) rotating with an adjustable speed of rotation, and an electric arc plasmatron (9). An electric arc plasmatron is mounted above the rotating crucible at an angle β to the axis of rotation of the crucible and contains a device for supplying a plasma-forming gas. A device for supplying a plasma-forming gas is connected to a source of plasma-forming gas (argon and / or nitrogen) and contains a flow-rate regulator of the plasma-forming gas (10).
Электродуговой плазмотрон установлен с возможностью изменения угла β и предназначен для расплавления исходной заготовки. Изменение угла установки электродугового плазмотрона β обеспечивается за счет устройства (11), осуществляющего покачивание плазмотрона в вертикальной плоскости в процессе плавления в диапазоне ±5°.An electric arc plasmatron is mounted with the possibility of changing the angle β and is intended for melting the initial billet. Changing the installation angle of the electric arc plasmatron β is provided by the device (11), which swings the plasma torch in a vertical plane during the melting process in the range of ± 5 °.
Токопроводящий тигель выполнен из графита и имеет медный водоохлаждаемый корпус (12). Кромка (13) тигля выполнена или имеет покрытие из материала, обеспечивающего уменьшение краевого угла смачивания поверхности кромки жидким расплавом и снижение силы поверхностного натяжения, удерживающей каплю расплава на поверхности кромки тигля в процессе его вращении.The conductive crucible is made of graphite and has a copper water-cooled case (12). The edge (13) of the crucible is made or has a coating of material that provides a decrease in the wetting angle of the edge surface with liquid melt and a decrease in the surface tension force holding a drop of melt on the surface of the edge of the crucible during its rotation.
Держатель исходной расходуемой заготовки имеет регулирующее устройство (14), обеспечивающее изменение продольной скорости подачи исходной расходуемой заготовки.The holder of the original sacrificial workpiece has a control device (14) that provides a change in the longitudinal feed rate of the original consumable workpiece.
Плазмотрон и тигель подключены к управляемому источнику питания (15), например тиристорному выпрямителю, обеспечивающему регулирование мощности электрической дуги.The plasma torch and crucible are connected to a controlled power source (15), for example, a thyristor rectifier, which provides power control of the electric arc.
Система подключения к источникам аргона и/или азота содержит устройство (16) для регулирования соотношения аргона и азота, входящих в состав плазмообразующего газа.The system for connecting to sources of argon and / or nitrogen contains a device (16) for regulating the ratio of argon and nitrogen that make up the plasma gas.
Устройство для получения сферических гранул жаропрочных и химически активных сплавов содержит систему (не показана) циркуляции и очистки плазмообразующего газа для экономии компонентов, входящих в его состав.A device for producing spherical granules of heat-resistant and chemically active alloys contains a system (not shown) for circulating and purifying a plasma-forming gas to save components included in its composition.
Устройство для получения исходной расходной заготовки (Фиг.2) содержит вакуумную плавильную камеру, выполненную в виде гарнисажной печи (17), по крайней мере, одну изложницу (18), имеющую форму стержня и расположенную в нижней части камеры, и источник плавления металла, осуществляющий плавление в условиях вакуума с помощью дугового разряда.)A device for obtaining the original consumable preform (Figure 2) contains a vacuum melting chamber made in the form of a skull furnace (17), at least one mold (18) having a rod shape and located in the lower part of the chamber, and a metal melting source, melting in a vacuum using an arc discharge.)
В гарнисажной печи размещен медный водоохлаждаемый тигель (19).A copper water-cooled crucible is placed in the skull furnace (19).
Источник плавления металла выполнен в виде вакуумного плазмотрона (20), обеспечивающего ионизацию плазмообразующего газа в условиях вакуума с образованием вакуумной плазменной дуги.The metal melting source is made in the form of a vacuum plasmatron (20), which provides ionization of the plasma-forming gas under vacuum with the formation of a vacuum plasma arc.
Вакуумный плазмотрон (20) представляет собой полый катод (21), изготовленный из тугоплавкого термоэмиссионного материала, например вольфрама. Полый катод закреплен в катододержателе (22), который имеет осевое отверстие для подачи плазмообразующего газа.The vacuum plasmatron (20) is a hollow cathode (21) made of a refractory thermionic material, such as tungsten. The hollow cathode is fixed in the cathode holder (22), which has an axial hole for supplying a plasma-forming gas.
Вакуумный плазмотрон (20) установлен под углом относительно вертикальной оси тигля (19) и расположен на его периферии, вне зеркала расплава.The vacuum plasmatron (20) is installed at an angle relative to the vertical axis of the crucible (19) and is located on its periphery, outside the melt mirror.
Вакуумная плавильная печь снабжена системами электромагнитного управления вакуумной плазменной дугой и электромагнитного перемешивания расплава, в виде верхней (23) и нижней (24) групп электромагнитов.The vacuum melting furnace is equipped with electromagnetic control systems for a vacuum plasma arc and electromagnetic mixing of the melt, in the form of upper (23) and lower (24) groups of electromagnets.
Верхняя группа электромагнитов (23) предназначена для вытягивания дуги из межэлектродного промежутка, формирования ее в виде петли и перемещения из одного сектора тигля в другой и установлена выше отметки максимально допустимого уровня расплава в тигле.The upper group of electromagnets (23) is designed to draw the arc from the interelectrode gap, form it in the form of a loop and move it from one sector of the crucible to another, and is set above the maximum permissible melt level in the crucible.
Нижняя группа электромагнитов (24) предназначена для управления электромагнитным перемешиванием расплава в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Нижняя группа электромагнитов расположена ниже отметки максимально допустимого уровня расплава в тигле и содержит магниты, создающие тангенциально направленные к внутренней поверхности водоохлаждаемого тигля магнитные поля.The lower group of electromagnets (24) is designed to control the electromagnetic mixing of the melt in the horizontal and vertical planes. The lower group of electromagnets is located below the maximum permissible melt level in the crucible and contains magnets that create magnetic fields tangentially directed to the inner surface of the water-cooled crucible.
Отметка максимально допустимого уровня расплава в тигле расположена, по крайней мере, на 50-100 мм ниже его верхней кромки (25).The mark of the maximum permissible melt level in the crucible is located at least 50-100 mm below its upper edge (25).
Устройство для вакуумно-дуговой плавки металлов и сплавов в гарнисажной печи содержит источник постоянного тока (26) и источник питания электромагнитов (27).A device for vacuum arc melting of metals and alloys in a skull furnace contains a direct current source (26) and a power source of electromagnets (27).
Медный водоохлаждаемый тигель (19) выполнен поворотным относительно линии горизонта и имеет сливной носок (28). Изложницы выполнены с возможностью перемещения и установлены на вращающемся литейном столе (29).A copper water-cooled crucible (19) is made rotatable relative to the horizon and has a drain sock (28). The molds are movable and mounted on a rotating casting table (29).
Гарнисажная печь содержит дозатор (30) для загрузки в тигель шихты и гляделку (31).The skull furnace contains a dispenser (30) for loading the mixture and the peephole (31) into the crucible.
Вакуумная камера гарнисажной печи содержит патрубок откачки газа (32), присоединяемый к вакуумным насосам (не показаны).The vacuum chamber of the skull furnace includes a gas evacuation pipe (32) connected to vacuum pumps (not shown).
Вакуумный плазмотрон (20) и водоохлаждаемый (металлический тигель (19) подключены к источнику постоянного тока (26) с помощью гибких токоподводов (33) и (34) соответственно.A vacuum plasmatron (20) and a water-cooled (metal crucible (19) are connected to a constant current source (26) using flexible current leads (33) and (34), respectively.
Обмотки верхней (23) и нижней (24) групп электромагнитов подсоединены к источнику питания (27) с помощью гибкого токоподвода (не показан) и связаны между собой через переключатель (35), обеспечивающий их согласованную и попеременную работу в автоматическом режиме.The windings of the upper (23) and lower (24) groups of electromagnets are connected to a power source (27) using a flexible current supply (not shown) and are interconnected via a switch (35), which ensures their coordinated and alternating operation in automatic mode.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.
Изготавливают исходную расходуемую заготовку в виде металлического стержня, которая будет служить источником расплава при получении сферических гранул.An initial sacrificial blank is made in the form of a metal rod, which will serve as a source of melt upon receipt of spherical granules.
Получение исходной расходуемой заготовки в виде металлического стержня, усреднение химического состава и очистку расплавов от тугоплавких частиц производят методом вакуумно-плазменной плавки в гарнисажной печи (17) (см. Фиг.2), в которой вакуумный плазмотрон (20) расположен за пределами зеркала расплава. В процессе плавления на дугу и расплав воздействуют магнитными полями от двух групп электромагнитов, нижней (24) и верхней (23). Это исключает возможность попадания продуктов материала катода в расплав и загрязнения его этим материалом с одновременным созданием возможности осуществлять сканирование дуги по поверхности расплава, что обеспечивает эффективное его перемешивание. Полученный расплав сливается в изложницы (18), имеющие форму стержня. Благодаря этому обеспечивается изготовление исходной расходуемой заготовки в виде металлического стержня с равномерным распределением по ее длине и сечению легирующих компонентов. Способ получения исходной расходуемой заготовки в вакуумно-плазменной гарнисажной печи подробно описан в заявке №2007133556/02, положительное решение от 24.09.2008, опубликован в БИ №4 за 2009 г.Obtaining the initial sacrificial workpiece in the form of a metal rod, averaging the chemical composition and cleaning the melts of refractory particles is carried out by the method of vacuum-plasma melting in the skull furnace (17) (see Figure 2), in which the vacuum plasmatron (20) is located outside the melt mirror . During melting, the arc and the melt are affected by magnetic fields from two groups of electromagnets, the lower (24) and upper (23). This eliminates the possibility of the products of the cathode material getting into the melt and contaminating it with this material, while creating the possibility of scanning the arc along the surface of the melt, which ensures its effective mixing. The obtained melt merges into the molds (18), having the shape of a rod. This ensures the manufacture of the initial sacrificial workpiece in the form of a metal rod with a uniform distribution along its length and cross-section of alloying components. The method of obtaining the initial sacrificial workpiece in a vacuum-plasma skull oven is described in detail in the application No. 2007133556/02, a positive decision dated 09.24.2008, published in BI No. 4 for 2009.
Получение исходной расходуемой заготовки методом вакуумно-плазменной плавки в гарнисажной печи для реализации способа получения сферических гранул жаропрочных и химически активных сплавов дает возможность в процессе изготовлении исходной заготовки увеличить время пребывания расплава в медном водоохлаждаемом тигле (19) до момента разлива его по изложницам (18). Это позволяет осуществлять перегрев и выдержку расплава в жидком состоянии длительное время, что повышает усреднение химического состава получаемого сплава в объеме тигля за счет проведения рафинировочных процессов и, следовательно, повышает однородность полученной заготовки.Obtaining the initial sacrificial workpiece by vacuum plasma melting in a skull furnace to implement a method for producing spherical granules of heat-resistant and chemically active alloys makes it possible to increase the residence time of the melt in a water-cooled copper crucible (19) before pouring it into the molds (18) . This allows for overheating and holding the melt in the liquid state for a long time, which increases the averaging of the chemical composition of the resulting alloy in the crucible volume due to refining processes and, therefore, increases the uniformity of the obtained billet.
Кроме этого, вакуумно-дуговые гарнисажные печи, оснащенные вакуумным плазмотроном, то есть вакуумно-плазменные печи, обеспечивают возможность использования нейтральной, окислительной или восстановительной атмосферы, а также плавное регулирование мощности нагрева и давления в камере печи. Эти преимущества являются чрезвычайно важными при переплаве металлических отходов или многокомпонентной кусковой шихты металлов, обладающих различными физическими и технологическими свойствами.In addition, vacuum arc skull furnaces equipped with a vacuum plasmatron, that is, vacuum plasma furnaces, provide the possibility of using a neutral, oxidizing or reducing atmosphere, as well as smooth control of the heating power and pressure in the furnace chamber. These advantages are extremely important for the remelting of metal waste or a multicomponent lump metal charge having various physical and technological properties.
Этим методом можно также выплавлять и расходуемые электроды практически из любых сплавов с равномерным распределением химического состава по длине и сечению получаемых слитков.Using this method, consumable electrodes can also be smelted from virtually any alloy with a uniform distribution of the chemical composition along the length and cross section of the resulting ingots.
Полученную исходную расходуемую заготовку (4) в виде металлического стержня (см. Фиг.1) устанавливают в держателе (5) над вращающимся (токопроводящим водоохлаждаемым тиглем (8), выполненным из графита.The obtained initial sacrificial blank (4) in the form of a metal rod (see Figure 1) is installed in the holder (5) above a rotating (conductive water-cooled crucible (8) made of graphite.
Возбуждают плазменную дугу между расположенным наклонно плазмотроном (9) и тиглем (8) с образованием плазменного факела. Расплавляемый металлический стержень помещают в зону действия факела, непосредственно над вращающимся тиглем. Заготовке (4) придают продольное движение. Для более равномерного оплавления заготовки ее поворачивают. Капли расплава направляют в тигель непосредственно с торца расходуемой заготовки. При этом обеспечивают подачу заготовки (4) с продольной скоростью Vпр, определяемой по формуле:A plasma arc is excited between an inclined plasmatron (9) and a crucible (8) to form a plasma torch. The molten metal rod is placed in the zone of the torch, directly above the rotating crucible. The workpiece (4) is attached with a longitudinal movement. For a more uniform melting of the workpiece, it is rotated. Drops of the melt are sent to the crucible directly from the end face of the sacrificial blank. This ensures the supply of the workpiece (4) with a longitudinal speed Vpr determined by the formula:
Vпр ≤ к Тпл Рд Dт / Dирз n, гдеVpr ≤ k Tpl Rd Dt / Dirz n, where
к - экспериментальный коэффициент, зависящий от материала кромки тигля и состава сплава исходной расходуемой заготовки; Тпл - температура плавления исходной расходуемой заготовки, °С; Рд - мощность плазменной дуги, кВт; Dт - диаметр тигля (внутренний), мм; Dирз - диаметр исходной расходуемой заготовки, мм; n - частота вращения тигля, об/мин.K is the experimental coefficient, depending on the material of the crucible edge and the alloy composition of the initial consumable workpiece; TPL is the melting temperature of the original sacrificial workpiece, ° C; RD - the power of the plasma arc, kW; Dт - crucible diameter (internal), mm; Dirz is the diameter of the initial expendable workpiece, mm; n is the crucible rotation speed, rpm
Полученный расплав направляют в тигель (8), вращающийся с регулируемой частотой вращения n, и производят распыление расплава под действием центробежных сил с образованием отрывающихся от кромки (13) тигля сферических гранул заданной крупности.The resulting melt is sent to a crucible (8), rotating with an adjustable rotation speed n, and the melt is sprayed under the action of centrifugal forces with the formation of spherical granules of a given size detaching from the crucible edge (13).
В процессе распыления дугу направляют на кромку (13) вращающегося тигля (8) и производят непрерывное покачивание наклонного плазмотрона (9) в вертикальной плоскости, изменяя в процессе плавления величину угла наклона плазмотрона β в диапазоне ±5°, обеспечивая равномерный нагрев внутренней стенки и кромки тигля плазменным факелом.During spraying, the arc is directed to the edge (13) of the rotating crucible (8) and the inclined plasmatron (9) is continuously swayed in the vertical plane, changing the angle of inclination of the plasmatron β in the range of ± 5 ° during melting, ensuring uniform heating of the inner wall and edge crucible with a plasma torch.
Для кромки (13) тигля подбирают материал, обеспечивающий уменьшение краевого угла смачивания кромки жидким расплавом и силы поверхностного натяжения, удерживающей каплю на поверхности кромки при вращении тигля (8). Кроме этого, в процессе плавления осуществляют регулирование расхода плазмообразующего газа Qпг с помощью регулятора расхода (10), мощности электрической дуги Рд с помощью тиристорного выпрямителя (15), изменяя мощность плазмотрона (9), и скорости подачи Vпр исходной расходуемой заготовки (4) с помощью регулятора (14).For the edge (13) of the crucible, a material is selected that ensures a decrease in the contact angle of wetting of the edge with liquid melt and a surface tension force holding a drop on the edge surface during rotation of the crucible (8). In addition, during the melting process, the plasma gas flow rate Qпг is controlled using the flow regulator (10), the electric arc power Рд using a thyristor rectifier (15), changing the power of the plasma torch (9), and the feed rate Vpr of the original sacrificial workpiece (4) s using the regulator (14).
Таким образом, заявляемые изобретения обеспечивают исключение использования промежуточной емкости, как заявлено в патенте RU №2173609, которая усложняет процесс распыления. Исключение промежуточной емкости в заявляемом способе позволяет достичь такого скоростного режима поступления расплава на центробежное распыление, который позволяет исключить пленочный режим распыления и обеспечить получение сферических гранул без образования газовых пор.Thus, the claimed invention provides the exclusion of the use of an intermediate tank, as claimed in patent RU No. 2173609, which complicates the spraying process. The exclusion of the intermediate tank in the inventive method allows to achieve such a high-speed mode of melt flow to centrifugal spraying, which eliminates the film spraying mode and to ensure the production of spherical granules without the formation of gas pores.
В отличие от прототипа процесс распыления становится управляемым за счет возможности в широких пределах регулировать расход (скорость истечения) металла, оптимизировать скорость подачи расплава в тигель и перевести пленочный режим формирования гранул в капельный. Благодаря этому образуются сферические гранулы без внутренней полости, заполненной инертным газом. Это повышает качество получаемого гранулированного порошка.In contrast to the prototype, the spraying process becomes controllable due to the ability to widely control the flow rate (flow rate) of the metal, to optimize the feed rate of the melt into the crucible, and to transfer the film mode of granule formation to droplet. Due to this, spherical granules are formed without an internal cavity filled with an inert gas. This improves the quality of the resulting granular powder.
Источником расплава, поступающего во вращающийся гарнисажный тигель, является исходная расходуемая заготовка (4) в виде металлического стержня, оплавляемого плазменной дугой. Для организации капельного режима распыления подбирают скорость плавления заготовки, изменяя мощность плазмотрона (Рд), скорость подачи заготовки (Vпр) и расход плазмообразующего газа (Qпг).The source of the melt entering the rotating skull plate is the initial consumable preform (4) in the form of a metal rod fused with a plasma arc. To organize the drip mode of atomization, the melting rate of the preform is selected by changing the power of the plasma torch (Rd), the feed rate of the preform (Vpr) and the flow rate of the plasma-forming gas (Qпг).
Формула для определения скорости подачи исходной расходуемой заготовки (V пр), при которой пленочный режим переходит в капельный, предложена на основании экспериментальных данных.The formula for determining the feed rate of the original consumable preform (V CR), at which the film mode changes to drip mode, was proposed on the basis of experimental data.
Изменяя скорость вращения гарнисажного тигля и мощность плазменной дуги, можно эффективно и целенаправленно влиять на фракционный состав получаемого сферического порошка.By changing the rotational speed of the skull plate and the power of the plasma arc, it is possible to effectively and purposefully influence the fractional composition of the resulting spherical powder.
Подбором материала кромки тигля обеспечивают уменьшение краевого угла смачивания кромки жидким расплавом и уменьшение силы поверхностного натяжения, удерживающей каплю на поверхности кромки в процессе вращения тигля. Это позволяет осуществлять отрыв от кромки тигля более мелких капель и получать мелкодисперсные порошки из сферических гранул, размеры которых могут находиться в пределах 10-800 мкм.The selection of the material of the crucible edge provides a decrease in the contact angle of wetting of the edge with liquid melt and a decrease in the surface tension force holding a drop on the edge surface during the crucible rotation. This allows you to detach smaller drops from the edge of the crucible and to obtain fine powders from spherical granules, the sizes of which can be in the range of 10-800 microns.
Для легирования различных жаропрочных и химически активных сплавов используются различные газы или их смесь, при этом осуществляют регулирование соотношения компонентов в плазмообразующем газе.For alloying various heat-resistant and chemically active alloys, various gases or a mixture of them are used, and the ratio of components in the plasma-forming gas is regulated.
В качестве плазмообразующего газа могут использовать азот, аргон или смесь аргона и азота. Жаропрочные сплавы относятся к аустенитным сплавам. Известно, что прочность аустенитных сплавов может быть повышена дополнительным легированием азотом в определенных пределах.Nitrogen, argon, or a mixture of argon and nitrogen may be used as the plasma forming gas. Heat resistant alloys are austenitic alloys. It is known that the strength of austenitic alloys can be increased by additional doping with nitrogen within certain limits.
Плавление расходуемой заготовки и центробежное распыление аустенитных сплавов проводят в азотной плазме, насыщая расплав азотом. Азот повышает прочность металла. Для достижения необходимого содержания азота в жаропрочном сплаве предлагается регулировать отношение содержания азота и аргона в плазмообразующем газе.The consumable is melted and the austenitic alloys are centrifugally sprayed in a nitrogen plasma, saturating the melt with nitrogen. Nitrogen increases the strength of the metal. To achieve the required nitrogen content in the heat-resistant alloy, it is proposed to regulate the ratio of the nitrogen and argon contents in the plasma-forming gas.
В заявляемом способе для легирования сплавов, аустенитных сталей, в качестве плазмообразующего газа используют смесь аргона с азотом.In the inventive method for alloying alloys, austenitic steels, a mixture of argon and nitrogen is used as a plasma-forming gas.
При этом для экономии газов и уменьшения загрязнения окружающей среды используют систему циркуляции и очистки газов.Moreover, to save gases and reduce environmental pollution, a gas circulation and purification system is used.
Установлено, что пластичность изделий, полученных из сферических гранул, увеличивается на 15-25% для различных сплавов. Упрочнение азотом позволяет повысить прочность металла на 15-25% без потери пластичности.It was found that the plasticity of products obtained from spherical granules increases by 15-25% for various alloys. Hardening with nitrogen allows to increase the strength of the metal by 15-25% without loss of ductility.
Примеры конкретной реализации способа.Examples of specific implementation of the method.
Заявляемая совокупность существенных признаков позволяет получить сферические гранулы жаропрочных и химически активных металлов и сплавов высокого качества без внутренних пористостей и имеющих однородный химический состав. Кроме этого, заявляемые изобретения обеспечивают возможность получения мелкодисперсных порошков, состоящих из сферических гранул, размеры которых могут находиться в пределах 10-800 мкм.The claimed combination of essential features allows to obtain spherical granules of heat-resistant and chemically active metals and alloys of high quality without internal porosities and having a uniform chemical composition. In addition, the claimed invention provides the ability to obtain fine powders consisting of spherical granules, the sizes of which can be in the range of 10-800 microns.
Полученные таким способом частицы сферической формы и изделия, изготавливаемые из них, в металлургии могут иметь целый ряд преимуществ:Spherical particles obtained in this way and products made from them in metallurgy can have a number of advantages:
- высокие технологические свойства гранул при их обработке (рассеве, электрической, магнитной и аэродинамической сепарации);- high technological properties of granules during their processing (sieving, electrical, magnetic and aerodynamic separation);
- возможность проведения дегазации полученного порошка из сферических частиц при непрерывной тонкослойной или монослойной подаче частиц;- the possibility of degassing the obtained powder from spherical particles during continuous thin-layer or monolayer supply of particles;
- лучшие возможности дозирования металла;- the best metal dosing capabilities;
- возможность достижения высокой насыпной плотности порошка, составляющей 65-68% от плотности монолитного металла (насыпная плотность чешуек - не более 10%), что позволяет компактировать заготовки с меньшей трудоемкостью;- the ability to achieve a high bulk density of the powder, component 65-68% of the density of the monolithic metal (bulk density of flakes - not more than 10%), which allows compacting workpieces with less laboriousness;
- возможность получения изделий сложной формы при горячем изостатическом прессовании вследствие способности сферических гранул к взаимному перераспределению и заполнению тончайших элементов внутреннего объема;- the ability to obtain products of complex shape during hot isostatic pressing due to the ability of spherical granules to the mutual redistribution and filling of the thinnest elements of the internal volume;
- высокая скорость охлаждения частиц за счет уменьшения размеров и интенсификации охлаждения в процессе затвердевания частиц сферической формы.- high cooling rate of particles by reducing the size and intensification of cooling in the process of solidification of particles of a spherical shape.
Claims (26)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008149292/02A RU2413595C2 (en) | 2008-12-16 | 2008-12-16 | Method of producing spherical granules of refractory and chemically active metals and alloys, device to this end and device to fabricate initial consumable billet to implement said method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008149292/02A RU2413595C2 (en) | 2008-12-16 | 2008-12-16 | Method of producing spherical granules of refractory and chemically active metals and alloys, device to this end and device to fabricate initial consumable billet to implement said method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008149292A RU2008149292A (en) | 2010-06-27 |
| RU2413595C2 true RU2413595C2 (en) | 2011-03-10 |
Family
ID=42682981
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008149292/02A RU2413595C2 (en) | 2008-12-16 | 2008-12-16 | Method of producing spherical granules of refractory and chemically active metals and alloys, device to this end and device to fabricate initial consumable billet to implement said method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2413595C2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2467835C1 (en) * | 2011-10-21 | 2012-11-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Device for making powder and axial-flow spraying |
| RU2468891C1 (en) * | 2011-11-18 | 2012-12-10 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Method of making heat-resistant alloy pellets |
| EP3331825A4 (en) * | 2015-08-07 | 2019-03-20 | HPQ-Silicon Resources Inc. | Silica to high purity silicon production process |
| RU2699431C1 (en) * | 2018-12-10 | 2019-09-05 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Method of producing spherical metal powders and apparatus for its implementation |
| RU2742125C1 (en) * | 2020-02-19 | 2021-02-02 | Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Device for production of metal powders by centrifugal spraying method |
| RU2780822C1 (en) * | 2021-10-27 | 2022-10-04 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина" (ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина") | Method for increasing the sphericity of particles of the powder of corrosion-resistant steel produced by spraying the melt with water (variants) |
-
2008
- 2008-12-16 RU RU2008149292/02A patent/RU2413595C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2467835C1 (en) * | 2011-10-21 | 2012-11-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Device for making powder and axial-flow spraying |
| RU2468891C1 (en) * | 2011-11-18 | 2012-12-10 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Method of making heat-resistant alloy pellets |
| EP3331825A4 (en) * | 2015-08-07 | 2019-03-20 | HPQ-Silicon Resources Inc. | Silica to high purity silicon production process |
| RU2699431C1 (en) * | 2018-12-10 | 2019-09-05 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Method of producing spherical metal powders and apparatus for its implementation |
| RU2742125C1 (en) * | 2020-02-19 | 2021-02-02 | Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Device for production of metal powders by centrifugal spraying method |
| WO2021167487A1 (en) * | 2020-02-19 | 2021-08-26 | Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Device for producing metal powders by centrifugal atomization |
| RU2780822C1 (en) * | 2021-10-27 | 2022-10-04 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина" (ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина") | Method for increasing the sphericity of particles of the powder of corrosion-resistant steel produced by spraying the melt with water (variants) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008149292A (en) | 2010-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20220288684A1 (en) | Methods and apparatuses for producing metallic powder material | |
| CA3054191C (en) | Plasma atomization metal powder manufacturing processes and systems therefor | |
| US11389873B2 (en) | Method for producing metal powders by means of gas atomization and production plant of metal powders according to such method | |
| US7578960B2 (en) | Apparatus and method for clean, rapidly solidified alloys | |
| WO2011054113A1 (en) | Methods and apparatuses for preparing spheroidal powders | |
| RU2413595C2 (en) | Method of producing spherical granules of refractory and chemically active metals and alloys, device to this end and device to fabricate initial consumable billet to implement said method | |
| US4970091A (en) | Method for gas-metal arc deposition | |
| US6368375B1 (en) | Processing of electroslag refined metal | |
| US5052331A (en) | Apparatus for gas-metal arc deposition | |
| JPS58177403A (en) | Method and device for manufacturing ceramic-free high purity metal powder | |
| RU2346221C1 (en) | Method of vacuum-plasma melting of metals and alloys in skull furnace and facility for its implementation | |
| Sears | Current processes for the cold-wall melting of titanium | |
| RU2173609C1 (en) | Method and apparatus for producing highly reactive metals and alloys | |
| RU74125U1 (en) | INSTALLATION FOR ELECTRON BEAM METAL Smelting | |
| JPH0270010A (en) | Method and apparatus for manufacturing high purity metal powder | |
| SU728929A1 (en) | Plant for producing metal powder by spraying | |
| Lampson et al. | Plasma Melting and Heating | |
| JPH06108119A (en) | Production of metallic powder | |
| JP2003523827A (en) | Casting apparatus and method with eccentric source of liquid metal |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111217 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20141010 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151217 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20161220 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171217 |