WO2009113913A1 - Method for producing chemically active metals and the structural design of a vertical stationary plasmotron - Google Patents
Method for producing chemically active metals and the structural design of a vertical stationary plasmotron Download PDFInfo
- Publication number
- WO2009113913A1 WO2009113913A1 PCT/RU2009/000117 RU2009000117W WO2009113913A1 WO 2009113913 A1 WO2009113913 A1 WO 2009113913A1 RU 2009000117 W RU2009000117 W RU 2009000117W WO 2009113913 A1 WO2009113913 A1 WO 2009113913A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- nozzle
- metal
- electrode
- arc
- gas
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
- C22B9/16—Remelting metals
- C22B9/20—Arc remelting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B34/00—Obtaining refractory metals
- C22B34/10—Obtaining titanium, zirconium or hafnium
- C22B34/12—Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08
- C22B34/1295—Refining, melting, remelting, working up of titanium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
- C22B9/16—Remelting metals
- C22B9/22—Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation
- C22B9/226—Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation by electric discharge, e.g. plasma
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
- F27B14/00—Crucible or pot furnaces
- F27B14/06—Crucible or pot furnaces heated electrically, e.g. induction crucible furnaces with or without any other source of heat
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
- C22B9/003—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals by induction
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Definitions
- the present invention relates to the production of chemically active metals from ore raw materials and other compounds and can be used for refining any metals, including chemically active and refractory metals from non-metallic impurities and metals.
- plasmatrons as heating elements are the stability of the discharge in the gas stream, good power control, the ability to obtain high temperatures, a large concentration of energy.
- the closest technical solution is a carbothermal reduction method in an arc plasmatron [2], in which cylindrical billets pressed from a charge consisting of Nb 2 O 5 + 5C or Nb 2 O 5 + 5NbC are placed in a water-cooled copper anode crucible.
- the cathode is graphite.
- the mixture is heated in argon-hydrogen plasma (5% H 2 in a mixture of Ar).
- argon-hydrogen plasma 5% H 2 in a mixture of Ar.
- Liquid phase carbothermal reduction can be carried out by pulling an ingot of ferrous metal from the mold and periodically loading the compressed tablets of the charge.
- the disadvantages of the analogue is low productivity, since it is necessary to briquet the mixture.
- the closest technical solution selected as a prototype of a device for implementing the proposed method, is a high-frequency plasma torch described in [2], which contains a discharge chamber in the form of a quartz tube in which a carbon or tungsten rod is placed, which serves as an electrode for igniting a discharge, which is removed after the occurrence of an annular discharge, a gas supply unit, an inductor located in the region of plasma formation.
- the technical task is to develop a method and device for its implementation, providing increased productivity by reducing the process time, increasing yield, lack of additional cleaning processes, and for the device, in addition, by shielding the nozzle with the melt from the electrode or the melt to be added separately ( charge), due to the use of a remelted electrode as an electrode.
- This object is achieved by the fact that in the known method for the production of chemically active metals, including the burning of an arc on an electrode, the formation of a plasma jet due to gas and the concentration of the arc in the nozzle and the electromagnetic field that heats the formed metal, drawing an ingot from the mold, according to the invention, protect the nozzle due to the melt of reduced or unreduced metal flowing down it from a consumable electrode or added separately to the nozzle, and its thickness is regulated by the modes and melting, by reversing the current on the electrode, the nozzle, and the metal being formed, while the plasma gas is organized in the arc burning zone above the nozzle by vacuum pumping through the metal ingot formation zone located under the nozzle.
- a vacuum-stationary plasmatron containing a discharge chamber with an electrode placed in it, a gas supply unit, an inductor, and a mold, according to the invention the electrode is made expendable, the lower part of the upper part of the chamber is made in the form of a funnel-shaped tray forms with a hole in its central part that performs the function of a nozzle, while a solenoid is located on the outside of the chamber in the region of the arc heating zone, in addition, at the bottom of the chamber
- an inductor can be located under the nozzle, additionally heating the plasma, preventing the molten metal from freezing on the nozzle and concentrating its flow, and the cooled crystallizer can be made sliding, allowing the melt bath mirror to be kept at the same distance from the nozzle exit, that is, without disrupting the technological work plasmatron;
- a vertically stationary plasmatron can operate on the principle of indirect, direct and variable action, while the electrode is an anode on which oxygen and other gases are released, and a metal ingot is a cathode, where metal is restored electrochemically, plasmochemically and metallothermally.
- Figure l shows a VSP device that implements the proposed method
- figure 2 - implementing the proposed method the device VSP, in which carbon is used as an electrode
- Fig. 3 the main technological zones of metal reduction and crystallization are indicated (enlarged central part of the VSP device shown in Fig. 2);
- figure 4 is a graph of the melting temperature of the oxide from the temperature of the onset of the reaction.
- the proposed method is implemented using a device - vertically - a stationary plasma torch - VSP, shown in Fig.l.
- the device includes a melting chamber 1, in which a consumable electrode 2 is melted due to arc b on a cooled tray 3, which has a funnel-shaped shape and a central hole 24, which serves as a plasma torch nozzle.
- a melting chamber 1 in which a consumable electrode 2 is melted due to arc b on a cooled tray 3, which has a funnel-shaped shape and a central hole 24, which serves as a plasma torch nozzle.
- the melt on the pan is mixed due to the solenoid 23, covering the zone of arc heating.
- the ingot 5 can be drawn simultaneously with the rotation, transmitted also through rod 16.
- the consumable electrode 2 is moved using the holder 14, which connects the positive pole.
- the holder 14 is installed in the sliding seals 18.
- the insulating gaskets 19 separate the upper chamber 1, the pallet 3 and the lower chamber And, to which the pipe 15 is connected, through which it is pumped gas accumulating in the upper chamber, creating a plasma jet.
- An ingot 5 with a rod 16 is connected to the negative pole or neutral.
- Arc stabilization is provided by a solenoid 10, as well as an inductor 22, which can additionally heat the plasma and center its direction.
- Figure l shows a VSP device where a consumable electrode is used as a source of metal to be reduced. It may consist of crude metal contaminated with non-metallic impurities or low boiling metals that pollute the base metal.
- the electrode can be formed from oxides of the reduced metal and the metal of the reducing agent.
- the electrode melting under the action of an arc and a metallothermal reaction, will protect the copper cooled nozzle with metal reduction products.
- the electrode being an anode, on its surface will oxidize oxygen to a gas state, removing it from TiO 2 .
- the melt formed by titanium and Al 2 O 3 falling into the narrow part of the nozzle, is additionally heated to high temperatures, and, passing through the inductor, can be ionized.
- titanium, falling into the sliding mold cools and passes into the melt, being further freed from oxygen, due to the fact that the melt and then the formed ingot are the cathode where the electrochemical reduction of the metal proceeds.
- the compound Al 2 O 3 (CaO, MgO, etc.) under the influence of high temperature can ionize, while oxygen can removed in the form of gas, and aluminum, being a more boiling metal, can evaporate from the metal bath of the ingot.
- the TiO 2 reduction process if an electrode is formed from it (similar to the Cambridge process) can proceed without the addition of reducing metals due to high temperatures and electrochemical reactions. Draft ingots are also refined from gas and metal impurities according to the above scheme.
- the circuit of the VSP device depicted in FIG. 2 can also be used for refining metal ingots, which will melt as electrode 2, contaminated with oxygen, for example.
- metal ingots which will melt as electrode 2, contaminated with oxygen, for example.
- powdered carbon will be added to the drip tray.
- the oxygen present in it will combine with carbon to a gas state, thereby the process of metal refining will occur.
- FIG. 3 The general scheme of the implementation of the method is shown in FIG. 3, where the main technological zones of metal reduction and crystallization are indicated, as well as one of the possible temperature fields that can pass through the substance in these zones, shown in the graph (figure 4). That is, electrode 2, heating due to arc 6 to temperatures from 1000 to 2000 0 C in zone I, starts to oxidize oxygen on its surface to gas compounds, this also applies to chlorine, fluorine, etc. connections. Due to the melting of the solid phase of the substance, a protective layer from the reaction mixture is formed in zone II on the upper part of the nozzle, in which the metal reduction process continues.
- the ongoing heating of the substance in zone II leads to the fact that when the temperature of the charge heating exceeds the melting temperature of the reduced oxide by a certain amount, a spontaneous metallothermal reduction reaction begins. Due to the reaction in this zone, the metal begins to recover, while additional heat is released. If the reduced and unreduced metal enters the IH zone, i.e., when it leaves the plasmatron nozzle and enters the section of the inductor heating the plasma, the metal will additionally heat up and its temperature will increase even further, while its increase can reach 3500 ⁇ 7000 ° C. That is, plasmochemical processes begin to occur in this zone, where the substance will be almost completely ionized, which will significantly accelerate the course of metal reduction reactions.
- oxygen begins to be removed in the form of gas, due to the vacuum pumping system.
- the plasma upon exiting the inductor, heats the molten metal mirror with its torch, where the reduced metal enters, forming a molten bath 8.
- the temperature begins to drop and all processes begin to slow down.
- a metal bath forms and crystallizes due to cooling by a crystallizer, while the reduction product in the form of a metal exits the reaction, shifting it to the right.
- the metal reduction process consists of the following chain: arc heating of the electrode, which is the anode during which the melting of the mixture and the oxidation reaction with gas evolution occur, the metal thermal reduction of the metal inside the plasmatron, the metal thermal, plasma chemical and electrochemical metal reduction in the plasma combustion zone, the formation of the metal bath and its cooling on the mold.
- the proposed device can carry out the process of metal recovery from oxide, fluoride, carbide, chloride compounds, as well as purify a metal ingot from oxygen, nitrogen, hydrogen, carbon, chlorine, fluorine and other impurity metals.
- the process of metal reduction and purification is based on a complex of processes, the main of which are the plasma-chemical and electrochemical processes, in addition, metallothermal reduction of the base metal can take part in the process.
- the entire installation serves as a plasma torch, where the consumable electrode simultaneously serves as the anode and source of melt production, on which an arc is formed for its subsequent compression.
- a skull is formed of the metal or its compounds on the cooled tray, the layer of which protects the copper tray from heat load, which will increase as the arc contracts and moves to the hole in the tray.
- the melt on the pallet rises partially due to its rotation under the action of the electromagnetic field of the solenoid. As it accumulates, due to the angle of inclination of the pallet, the melt flows to the central hole. Further, the melt, passing through the central hole, which is a plasma torch nozzle, receives significant thermal energy, being heated by a plasma stream formed from a compressed arc discharge formed on the anode.
- the thickness of the skull layer formed on the pallet depends on the thermal power of the arc, while the skull layer can reach different sizes.
- the skull has the smallest thickness.
- the negative pole switches to the rod, which pulls the ingot from the sliding mold, thereby the electrode-pallet-ingot system will be a direct-acting plasmatron [3], (p.407).
- the arc will be focused from a large area of the consumable electrode acting as an anode and compressed in the hole of the tray serving as a nozzle, while its heat power will be mainly directed to the upper part of the formed ingot acting as a cathode, and therefore the skull , which is distributed around the periphery of the pallet, will increase, protecting the pallet from thermal overheating.
- Titanium freed from oxygen, flowing down the pallet and falling into the bath of the sliding mold-cathode, will be additionally freed from the oxygen present in it, both due to additional heating by a plasma jet, which will accelerate the plasma-chemical process, and due to electrochemical reactions that take place on the cathode allow the metal to be released from oxygen.
- Direct reduction of titanium from oxides, as well as other chemical active metals, can be accelerated by the introduction of reducing agents, such as calcium, sodium, magnesium, aluminum, carbon, etc., into the electrode.
- reducing agents such as calcium, sodium, magnesium, aluminum, carbon, etc.
- metallothermal reduction reactions will begin to take place, which will be accelerated when the reaction charge gets on the pallet as moving it to the nozzle hole.
- the reduced metal entering the ingot bath i.e. to the cathode, additionally heated by a jet of plasma, it will begin to get rid of reducing metal metals (which usually refer to low-boiling metals) or carbon, which will be present in it, i.e. these impurities will evaporate.
- Carbon capturing the remaining oxygen from the metal, in the form of CO or CO 2 , will be removed from the reaction by a vacuum system.
- Plasma jet heating the ingot bath with its torch, will also evaporate slag formations, which will close this bath, as during metallothermal processes oxidation reactions of reducing metals will occur.
- VSP vertically stationary plasmatron
- Chlorine and oxygen are removed from the furnace by a vacuum pumping system and captured by a gas collection system for reuse.
- a vacuum pumping system In the case of remelting of the contaminated sponge on vacuum-arc furnaces, there is always a real threat of lateral breakdown to the mold, which can lead to the explosion of the furnace. Therefore, the dirty sponge on these furnaces is not remelted and is used mainly for ferrotitanium.
- Electron beam furnaces also do not melt this mixture, since increased gas generation destroys electron beam guns.
- Conventional plasmatrons in view of their operation under increased gas pressure, do not allow the metal to be well cleared of gas impurities. Therefore, the cleaning of heavily contaminated metals on a VSP furnace can be one of the most effective today.
- An additional technological lever affecting the heating parameters is the possibility of supplying additional inert gas to the upper melting chamber through line 12 and valve 13.
- the supply of additional inert gas will contribute to the increase in the skull on the pallet due to gas cooling, but in the same time the amplification of the plasma jet flow will be to increase the heating of the mirror of the liquid bath 8 in the ingot.
- the supply of additional inert gas will contribute to the increase of the skull on the periphery of the pallet, but at the same time its fusion closer to the center.
- the plasma-forming gas generated due to the arc at its end face of a large area becomes quite sufficient for the successful operation of the plasma torch without any additional pumping of gas.
- the consumable electrode serves both as a source of melt and a source of plasma-forming gas, which enhances its thermal energy due to the narrowing hole in the pan, and the smaller the hole, the higher the temperature of the generated plasma stream and the smaller the diameter you can get an ingot, without fearing that a small hole the nozzle will overgrow with a skull.
- the presented VSP device allows very compact arrangement of equipment in the workshop room. So, for example, when a titanium electrode is re-melted with a diameter of 1.2 m and a length of 1.5 m, the upper part of the installation above the zero mark will be no more than 3 m, when the ingot is melted with a diameter of 0.5 m, the shaft depth will be 9 m.
- a high-frequency inductor 22 can be used, which will additionally heat the plasma jet and squeeze it to the center of the vertical axis, thereby facilitating and stabilizing the process of melting and metal reduction.
- the proposed method has wider possibilities for averaging the chemical composition and allows to obtain ingots of smaller diameter than the original electrode, thereby sharply reducing production costs, increasing yield and reducing time for metal redistribution.
- the claimed method is more productive, since the efficiency of the heater using the consumable electrode is higher, while the design of the device is much simpler than furnaces with plasma heaters.
- the process of titanium reduction in the VSP device proceeds at very high speeds, since the substance is restored much faster due to ionization at high temperature. It is also necessary to take into account that in this case an electrolyte consisting of a certain substance in liquid form is not used, and, therefore, there is no limitation on the heating temperature of the reduced metal.
- the thermal density of the arc can be greater by orders of magnitude, and, consequently, the rates of metal reduction and refining reactions also increase by orders of magnitude.
- this method and device may be useful for widespread adoption in industry.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
The invention relates to producing metals and can be used removing nonmetallic impurities from chemically active and refractory metals. The inventive method involves generating an arc on an electrode and forming a plasma jet for heating a formed metal by virtue of a gas and the arc concentration achieved in a nozzle by means of electromagnetic field. The nozzle is protected by a molten reduced or incompletely reduced metal that flows thereon from a consumable electrode or separately poured on the nozzle. The thickness of said metal is adjusted according to melting modes by reversing the polarity on the electrode, the nozzle and on the formed metal, wherein a gas for plasma is formed in the arcing area above the nozzle by pumping to a vacuum through a metal ingot formation area situated under the nozzle. The stationary vertical plasmotron comprises a discharge chamber with a consumable anode electrode placed therein, a gas feeding unit, an inductor and a crystalliser. The lower part of the top section of the chamber is in the form of a funnel-shaped tray with an orifice which is made in the central part thereof and is used as a nozzle. A solenoid is disposed on the outer side of the chamber and an indicator and a crystalliser with the metal ingot inside are arranged in the bottom part of the chamber along the arc perimeter, the ingot being used as a cathode. The technical result consists in increasing the productivity.
Description
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МЕТАЛЛОВ METHOD AND DEVICE FOR THE PRODUCTION OF CHEMICALLY ACTIVE METALS
Область техникиTechnical field
Предлагаемое изобретение относится к области производства химически активных металлов из рудного сырья и других соединений и может быть использовано для рафинирования любых металлов, включая химически активные и тугоплавкие металлы от неметаллических примесей и металлов.The present invention relates to the production of chemically active metals from ore raw materials and other compounds and can be used for refining any metals, including chemically active and refractory metals from non-metallic impurities and metals.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Известен Кембриджский процесс [1] (Научно-технический журнал "Титан" JN°2(19) 2006г., cтp.9÷10) электрохимического восстановления титана из двуокиси титана. Данный процесс включает производство электродов из TiO2, которые, окисляясь в электролизе, выделяют кислород, одновременно на катоде идёт восстановление чистого титана. Недостатком данного способа является низкая производительность.The well-known Cambridge process [1] (Scientific and technical journal "Titan" JN ° 2 (19) 2006, pp. 9 ÷ 10) electrochemical reduction of titanium from titanium dioxide. This process involves the production of electrodes from TiO 2 , which, when oxidized in the electrolysis, produce oxygen, while pure titanium is being reduced at the cathode. The disadvantage of this method is the low productivity.
Известен процесс плазмохимического синтеза двуокиси титана из его хлорида в пламени плазматрона [2] (А.Н.Зеликман - Металлургия тугоплавких редких металлов, - Москва: Из-во "Металлургия", 1986, cтp.343). При высокой температуре плазмы идёт быстрый процесс замещения хлора на кислород. Недостатком данного процесса является то, что невозможно получить чистый металл.The process of plasma-chemical synthesis of titanium dioxide from its chloride in the flame of a plasmatron is known [2] (A.N. Zelikman - Metallurgy of refractory rare metals, - Moscow: Izd. Metallurgy, 1986, p.343). At high plasma temperatures, the process of replacing chlorine with oxygen is rapid. The disadvantage of this process is that it is impossible to obtain pure metal.
Известен способ плазменного карботермического восстановления ниобия в дуговом плазматроне [2], (cтp.267). Недостатком данного способа является низкая производительность.A known method of plasma carbothermic reduction of niobium in an arc plasmatron [2], (p. 267). The disadvantage of this method is the low productivity.
Достоинствами плазмотронов, как нагревательных элементов являются стабильность разряда в газовом потоке, хорошая регулируемость мощности, возможность получения высоких температур, большая концентрация энергии.The advantages of plasmatrons as heating elements are the stability of the discharge in the gas stream, good power control, the ability to obtain high temperatures, a large concentration of energy.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ карботермического восстановления в дуговом плазмотроне [2], при котором цилиндрические заготовки, спрессованные из шихты, состоящей из Nb2O5 +5C или Nb2O5 +5NbC, помещают в водоохлаждаемый медный тигель, служащий анодом. Катод - графитовый. Шихту нагревают в аргоно-водородной плазме (5%H2 в смеси Ar). При температуре выше 2650 0C восстановление протекает быстро с получением чернового ниобия, который рафинируют электронно-лучевой плавкой. Жидкофазное
карботермическое восстановление можно проводить с вытягиванием слитка черного металла из кристаллизатора и периодической загрузкой спрессованных таблеток шихты.The closest technical solution, selected as a prototype, is a carbothermal reduction method in an arc plasmatron [2], in which cylindrical billets pressed from a charge consisting of Nb 2 O 5 + 5C or Nb 2 O 5 + 5NbC are placed in a water-cooled copper anode crucible. The cathode is graphite. The mixture is heated in argon-hydrogen plasma (5% H 2 in a mixture of Ar). At temperatures above 2650 ° C, the reduction proceeds quickly to produce rough niobium, which is refined by electron beam melting. Liquid phase carbothermal reduction can be carried out by pulling an ingot of ferrous metal from the mold and periodically loading the compressed tablets of the charge.
Недостатками аналога является низкая производительность, так как необходимо брикетировать шихту.The disadvantages of the analogue is low productivity, since it is necessary to briquet the mixture.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа устройства для реализации предлагаемого способа, является высокочастотная плазменная горелка, описанная в [2], которая содержит разрядную камеру в виде кварцевой трубы, в которую помещен угольный или вольфрамовый стержень, выполняющий функцию электрода для зажигания разряда, который убирают после возникновения кольцевого разряда, узел подвода газа, индуктор, размещенный в районе образования плазмы.The closest technical solution, selected as a prototype of a device for implementing the proposed method, is a high-frequency plasma torch described in [2], which contains a discharge chamber in the form of a quartz tube in which a carbon or tungsten rod is placed, which serves as an electrode for igniting a discharge, which is removed after the occurrence of an annular discharge, a gas supply unit, an inductor located in the region of plasma formation.
Недостатком данного устройства является то, что для рафинирования ниобия необходимо применять дополнительное устройство, а именно электронно-лучевую печь, использование которой удорожает процесс производства, увеличивает время производства, не обеспечивает достаточную производительность при значительных потерях готового продукта.The disadvantage of this device is that for the refining of niobium it is necessary to use an additional device, namely an electron beam furnace, the use of which increases the cost of the production process, increases the production time, does not provide sufficient performance with significant losses of the finished product.
Техническая задача заключается в разработке способа и устройства для его реализации, обеспечивающих повышение производительности за счет сокращения времени протекания процесса, увеличение выхода годного, отсутствия дополнительных процессов очистки, а для устройства, кроме того, за счет экранирования сопла расплавом от электрода либо подсыпаемого расплава отдельно (шихта), за счет использования в качестве электрода -переплавляемого электрода.The technical task is to develop a method and device for its implementation, providing increased productivity by reducing the process time, increasing yield, lack of additional cleaning processes, and for the device, in addition, by shielding the nozzle with the melt from the electrode or the melt to be added separately ( charge), due to the use of a remelted electrode as an electrode.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе производства химически активных металлов, включающем горение дуги на электроде, формирование плазменной струи за счёт газа и концентрации дуги в сопле и электромагнитном поле, обогревающей формируемый металл, вытягивание слитка из кристаллизатора, согласно изобретению, осуществляют защиту сопла за счёт расплава восстановленного или недовосстановленного металла, стекаемого по нему с расходуемого электрода или подсыпаемого на сопло отдельно, а толщину его регулируют режимами плавления, путем переполюсовки тока на электроде, сопле и формируемом металле, при этом газ для плазмы организуют в зоне горения дуги над соплом путем откачки вакуума через зону формирования слитка металла, находящуюся под соплом.This object is achieved by the fact that in the known method for the production of chemically active metals, including the burning of an arc on an electrode, the formation of a plasma jet due to gas and the concentration of the arc in the nozzle and the electromagnetic field that heats the formed metal, drawing an ingot from the mold, according to the invention, protect the nozzle due to the melt of reduced or unreduced metal flowing down it from a consumable electrode or added separately to the nozzle, and its thickness is regulated by the modes and melting, by reversing the current on the electrode, the nozzle, and the metal being formed, while the plasma gas is organized in the arc burning zone above the nozzle by vacuum pumping through the metal ingot formation zone located under the nozzle.
Кроме того, в зону дугового разряда дополнительно нагнетают газ, а через нижнюю камеру производят глубокую откачку вакуума.
Для решения поставленной задачи в устройстве для реализации способа - вакуумно-стационарный плазматрон, содержащем разрядную камеру с размещенным в ней электродом, узел подвода газа, индуктор, и кристаллизатор, согласно изобретению, электрод выполнен расходуемым, нижняя часть верхнего участка камеры выполнена в виде поддона воронкообразной формы с отверстием в его центральной части, выполняющими функцию сопла, при этом с внешней стороны камеры в районе зоны дугового обогрева расположен соленоид, кроме того, в нижней части камеры по периметру дуги расположен индикатор, кристаллизатор с размещенным внутри слитком металла, который выполняет функцию катода, а электрод - анода. Кроме того:In addition, gas is additionally injected into the arc discharge zone, and a deep vacuum is pumped through the lower chamber. To solve the problem in the device for implementing the method, a vacuum-stationary plasmatron containing a discharge chamber with an electrode placed in it, a gas supply unit, an inductor, and a mold, according to the invention, the electrode is made expendable, the lower part of the upper part of the chamber is made in the form of a funnel-shaped tray forms with a hole in its central part that performs the function of a nozzle, while a solenoid is located on the outside of the chamber in the region of the arc heating zone, in addition, at the bottom of the chamber An indicator, a crystallizer with a metal ingot placed inside, which acts as a cathode and the electrode as an anode, is located to the arc meter. Besides:
- под соплом может быть расположен индуктор, дополнительно разогревающий плазму, препятствующий намерзанию на сопло расплава металла и концентрирующий его поток, а охлаждаемый кристаллизатор может быть выполнен скользящим, позволяющим удерживать зеркало ванны расплава на одном расстоянии от среза сопла, то есть, не нарушая технологическую работу плазматрона;- an inductor can be located under the nozzle, additionally heating the plasma, preventing the molten metal from freezing on the nozzle and concentrating its flow, and the cooled crystallizer can be made sliding, allowing the melt bath mirror to be kept at the same distance from the nozzle exit, that is, without disrupting the technological work plasmatron;
- вертикально-стационарный плазмотрон может работать по принципу косвенного, прямого и переменного действия, при этом электрод является анодом, на котором выделяется кислород и другие газы, а слиток металла катодом, где восстанавливается металл электрохимически, плазмохимически и металлотермически.- a vertically stationary plasmatron can operate on the principle of indirect, direct and variable action, while the electrode is an anode on which oxygen and other gases are released, and a metal ingot is a cathode, where metal is restored electrochemically, plasmochemically and metallothermally.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг.l изображено устройство ВСП, реализующее предложенный способ; на фиг.2 - реализующее предложенный способ устройство ВСП, в котором в качестве электрода применен углерод; на фиг.З указаны основные технологические зоны восстановления и кристаллизации металла (увеличенная центральная часть устройства ВСП, изображённого на фиг.2); на фиг.4 - график зависимости температуры плавления окисла от температуры начала реакции.Figure l shows a VSP device that implements the proposed method; figure 2 - implementing the proposed method, the device VSP, in which carbon is used as an electrode; in Fig. 3, the main technological zones of metal reduction and crystallization are indicated (enlarged central part of the VSP device shown in Fig. 2); figure 4 is a graph of the melting temperature of the oxide from the temperature of the onset of the reaction.
Лучший вариант осуществления изобретенияThe best embodiment of the invention
Предложенный способ реализуют с помощью устройства- вертикально - стационарного плазмотрона - ВСП, представленного на фиг.l. Устройство включает камеру плавления 1, в которой плавится за счёт дуги б расходуемый электрод 2 на охлаждаемом поддоне 3, который имеет воронкообразную форму и центральное отверстие 24, которое служит соплом плазмотрона. На поддон, выполняющий функцию нижней
части камеры плазмотрона, можно подключать как положительный, так и отрицательный полюс, а так же полностью сделать его нейтральным. Расплав на поддоне перемешивается за счёт соленоида 23, охватывающем зону дугового обогрева. Расплав металла 8, стекая с электрода 2, образует на поддоне 3 слой гарнисажа 7 и стекает далее в скользящий кристаллизатор 4, где формируется слиток 5, который в свою очередь вытягивается штоком 16. Вытяжка слитка 5 может происходить одновременно с вращением, передаваемым так же через шток 16. Расходуемый электрод 2 перемещается с помощью держателя 14, к которому подключается положительный полюс. Для герметизации держатель 14 установлен в скользящие уплотнения 18. Для плавления металла в газовой среде к верхней камере подсоединён трубопровод 12 и клапан 13. Изоляционные прокладки 19 отделяют верхнюю камеру 1, поддон 3 и нижнюю камеру И, к которой подсоединён трубопровод 15, через который откачивается газ, скапливающийся в верхней камере, создавая плазменную струю. Слиток 5 со штоком 16 подключаются к отрицательному полюсу или нейтрали. Стабилизация дуги обеспечивается соленоидом 10, а так же индуктором 22, который может дополнительно подогревать плазму и центровать её направление.The proposed method is implemented using a device - vertically - a stationary plasma torch - VSP, shown in Fig.l. The device includes a melting chamber 1, in which a consumable electrode 2 is melted due to arc b on a cooled tray 3, which has a funnel-shaped shape and a central hole 24, which serves as a plasma torch nozzle. On a pallet that functions as a bottom parts of the plasma torch chamber, you can connect both the positive and negative poles, as well as completely make it neutral. The melt on the pan is mixed due to the solenoid 23, covering the zone of arc heating. The molten metal 8, flowing down from the electrode 2, forms a layer of the skull 7 on the pallet 3 and then flows into the sliding mold 4, where an ingot 5 is formed, which in turn is pulled by the rod 16. The ingot 5 can be drawn simultaneously with the rotation, transmitted also through rod 16. The consumable electrode 2 is moved using the holder 14, which connects the positive pole. For sealing, the holder 14 is installed in the sliding seals 18. For melting the metal in a gas medium, a pipe 12 and a valve 13 are connected to the upper chamber. The insulating gaskets 19 separate the upper chamber 1, the pallet 3 and the lower chamber And, to which the pipe 15 is connected, through which it is pumped gas accumulating in the upper chamber, creating a plasma jet. An ingot 5 with a rod 16 is connected to the negative pole or neutral. Arc stabilization is provided by a solenoid 10, as well as an inductor 22, which can additionally heat the plasma and center its direction.
На фиг.l изображено устройство ВСП, где в качестве источника восстанавливаемого металла служит расходуемый электрод. Он может состоять из чернового металла, загрязнённого неметаллическими примесями или легкокипящими металлами, загрязняющими основной металл. Так же электрод может быть сформирован из окислов восстанавливаемого металла и металла восстановителя. Например, TiO2 может быть спрессован с порошком Al (Ca, Mg, Na и т.д.). При горении дуги на спрессованном электроде начнутся металлотермические реакции восстановления основного металла из оксидов титана, что в общем виде может быть представлено уравнением: TiOx + хМе = Ti + хМеО (1)Figure l shows a VSP device where a consumable electrode is used as a source of metal to be reduced. It may consist of crude metal contaminated with non-metallic impurities or low boiling metals that pollute the base metal. Also, the electrode can be formed from oxides of the reduced metal and the metal of the reducing agent. For example, TiO 2 can be compressed with Al powder (Ca, Mg, Na, etc.). When burning an arc on a compressed electrode, metallothermal reactions will begin to reduce the base metal from titanium oxides, which in general form can be represented by the equation: TiOx + хМе = Ti + хМеО (1)
Электрод, оплавляясь под действием дуги и металлотермической реакции, будет защищать медное охлаждаемое сопло продуктами восстановления металла. Кроме того, электрод, будучи анодом, на своей поверхности будет окислять кислород до газового состояния, удаляя его из TiO2. Расплав, образуемого титана и Al2O3, попадая в узкую часть сопла, дополнительно нагревается до высоких температур, а, проходя сквозь индуктор, может ионизироваться. При этом титан, попадая в скользящий кристаллизатор, охлаждается и переходит в расплав, дополнительно освобождаясь от кислорода, за счёт того, что расплав, а затем формируемый слиток являются катодом, где протекают реакции электрохимического восстановления металла. Соединение Al2O3 (CaO, MgO и т.д.) под действием высокой температуры может ионизироваться, при этом кислород может
удаляться в виде газа, а алюминий будучи более легкокипящим металлом, может испаряться из металлической ванны слитка. Процесс восстановления TiO2, если из него сформировать электрод (по типу Кембриджского процесса) может протекать без добавления металлов восстановителей за счёт высоких температур и электрохимических реакций. Черновые слитки так же рафинируются от газовых и металлических примесей по вышеприведённой схеме.The electrode, melting under the action of an arc and a metallothermal reaction, will protect the copper cooled nozzle with metal reduction products. In addition, the electrode, being an anode, on its surface will oxidize oxygen to a gas state, removing it from TiO 2 . The melt formed by titanium and Al 2 O 3 , falling into the narrow part of the nozzle, is additionally heated to high temperatures, and, passing through the inductor, can be ionized. In this case, titanium, falling into the sliding mold, cools and passes into the melt, being further freed from oxygen, due to the fact that the melt and then the formed ingot are the cathode where the electrochemical reduction of the metal proceeds. The compound Al 2 O 3 (CaO, MgO, etc.) under the influence of high temperature can ionize, while oxygen can removed in the form of gas, and aluminum, being a more boiling metal, can evaporate from the metal bath of the ingot. The TiO 2 reduction process, if an electrode is formed from it (similar to the Cambridge process) can proceed without the addition of reducing metals due to high temperatures and electrochemical reactions. Draft ingots are also refined from gas and metal impurities according to the above scheme.
На фиг.2 изображено устройство В СП, в котором в качестве электрода 2 применяется углерод, который одновременно служит нагревательным элементом, а так же элементом восстановителем для металлов, находящихся в различных соединениях 26, которые поступают под дуговой разряд по жёлобу 25. Так, например, за счёт графитового электрода можно восстановить металл из окиси. Для этого необходимо снижение давления над расплавом [3], (стр.118), что приводит в результате взаимодействия с углеродом к частичному или полному разрушению окислов: (MeO) + [С] = Me + СОгаз (2)Figure 2 shows the device In the joint venture, in which carbon is used as electrode 2, which simultaneously serves as a heating element, as well as a reducing element for metals in various compounds 26, which come under an arc discharge through the gutter 25. So, for example , due to the graphite electrode, metal can be reduced from oxide. This requires a decrease in pressure over the melt [3], (p. 118), which, as a result of interaction with carbon, leads to partial or complete destruction of oxides: (MeO) + [С] = Me + СОgas (2)
То есть, чем ниже давление над расплавом, тем меньше в металле остаётся оксидных включений. Менее прочные включения, такие, например, как MnO, Cr2O3 или Nb2O5, восстанавливаются углеродом в вакууме почти нацело для восстановления более прочных включений, таких, например, как Al2O3 или TiO2, требуется очень глубокий вакуум до 10"3Пa.That is, the lower the pressure over the melt, the less oxide inclusions remain in the metal. Less strong inclusions, such as, for example, MnO, Cr 2 O 3 or Nb 2 O 5 , are reduced almost completely by carbon in a vacuum to restore stronger inclusions, such as, for example, Al 2 O 3 or TiO 2 , a very deep vacuum is required up to 10 "3 Pa.
Схема устройства ВСП, изображенного на фиг.2, может быть так же использована для рафинирования металлических слитков, которые будут плавиться в качестве электрода 2, загрязнённых например кислородом. Для его удаления по жёлобу 25 будет на поддон-сопло подсыпаться порошкообразный углерод. При плавлении слитка, присутствующий в нём кислород будет соединяться с углеродом до газового состояния, тем самым будет происходить процесс рафинирования металла.The circuit of the VSP device depicted in FIG. 2 can also be used for refining metal ingots, which will melt as electrode 2, contaminated with oxygen, for example. To remove it through the gutter 25, powdered carbon will be added to the drip tray. When the ingot is melted, the oxygen present in it will combine with carbon to a gas state, thereby the process of metal refining will occur.
Общая схема реализации способа изображена на фиг.З, где указаны основные технологические зоны восстановления и кристаллизации металла, а так же одно из возможных температурных полей, которое может проходить вещество в этих зонах, изображённое на графике (фиг.4). То есть электрод 2, нагреваясь за счёт дуги 6 до температур от 1000 до 20000C в зоне I начинает окислять кислород на своей поверхности до газовых соединений, это относится так же и к хлору, фтору и т.п. соединениям. За счёт плавления твёрдой фазы вещества, в зоне II на верхней части сопла образуется защитный слой из реакционной шихты, в котором продолжается процесс восстановления металла. Продолжающийся нагрев вещества в зоне II приводит к тому, что когда величина температуры нагрева шихты превысит температуру плавления восстанавливаемого окисла
на определённую величину, начинается самопроизвольная металлотермическая восстановительная реакция. За счёт протекания реакции в этой зоне начинает восстанавливаться металл, при этом выделяется дополнительное тепло. При попадании восстановленного и недовосстановленного металла в зону IH, то есть при его выходе из сопла плазматрона и попадании в сечение индуктора подогревающего плазму, металл дополнительно будет нагреваться и его температура ещё более увеличиться при этом её повышение может достигать 3500÷7000°C. То есть в этой зоне начинают протекать плазмохимические процессы, где вещество будет практически полностью ионизироваться, что значительно ускорит протекание реакций восстановления металла. В этой же зоне начинает удаляться в виде газа кислород, за счёт системы вакуумной откачки. В четвёртой зоне плазма при выходе из индуктора, обогревает своим факелом зеркало расплава металла, куда попадает восстановленный металл, образуя ванну расплава 8. В зоне V начинает падать температура и начинают замедляться все процессы. В зоне V идёт формирование ванны металла и его кристаллизация за счёт охлаждения кристаллизатором, при этом продукт восстановления в виде металла выходит из реакции, смещая её вправо. В общем виде процесс восстановления металла складывается из следующей цепочки: дуговой нагрев электрода, являющегося анодом при котором протекают процессы плавления шихты и реакции окисления с газовыделением металлотермическое восстановление металла внутри плазматрона, металлотермическое, плазменнохимическое и электрохимическое восстановление металла в зоне горения плазмы, образование ванны металла и его охлаждение на кристаллизаторе.The general scheme of the implementation of the method is shown in FIG. 3, where the main technological zones of metal reduction and crystallization are indicated, as well as one of the possible temperature fields that can pass through the substance in these zones, shown in the graph (figure 4). That is, electrode 2, heating due to arc 6 to temperatures from 1000 to 2000 0 C in zone I, starts to oxidize oxygen on its surface to gas compounds, this also applies to chlorine, fluorine, etc. connections. Due to the melting of the solid phase of the substance, a protective layer from the reaction mixture is formed in zone II on the upper part of the nozzle, in which the metal reduction process continues. The ongoing heating of the substance in zone II leads to the fact that when the temperature of the charge heating exceeds the melting temperature of the reduced oxide by a certain amount, a spontaneous metallothermal reduction reaction begins. Due to the reaction in this zone, the metal begins to recover, while additional heat is released. If the reduced and unreduced metal enters the IH zone, i.e., when it leaves the plasmatron nozzle and enters the section of the inductor heating the plasma, the metal will additionally heat up and its temperature will increase even further, while its increase can reach 3500 ÷ 7000 ° C. That is, plasmochemical processes begin to occur in this zone, where the substance will be almost completely ionized, which will significantly accelerate the course of metal reduction reactions. In the same zone, oxygen begins to be removed in the form of gas, due to the vacuum pumping system. In the fourth zone, the plasma, upon exiting the inductor, heats the molten metal mirror with its torch, where the reduced metal enters, forming a molten bath 8. In zone V, the temperature begins to drop and all processes begin to slow down. In zone V, a metal bath forms and crystallizes due to cooling by a crystallizer, while the reduction product in the form of a metal exits the reaction, shifting it to the right. In general, the metal reduction process consists of the following chain: arc heating of the electrode, which is the anode during which the melting of the mixture and the oxidation reaction with gas evolution occur, the metal thermal reduction of the metal inside the plasmatron, the metal thermal, plasma chemical and electrochemical metal reduction in the plasma combustion zone, the formation of the metal bath and its cooling on the mold.
Предлагаемое устройство может осуществлять технологический процесс восстановления металлов из оксидных, фторидных, карбидных, хлоридных соединений, а так же производить очистку слитка металла от кислорода, азота, водорода, углерода, хлора, фтора и других примесных металлов. Процесс восстановления металлов и очистки основан на комплексе процессов, основными из которых являются плазмохимический и электрохимический процесс, кроме того, в процессе может принимать участие металлотермическое восстановление основного металла. В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, плазмотроном служит вся установка, где расходуемый электрод одновременно служит анодом и источником получения расплава, на котором формируется дуга для последующего её сжатия.The proposed device can carry out the process of metal recovery from oxide, fluoride, carbide, chloride compounds, as well as purify a metal ingot from oxygen, nitrogen, hydrogen, carbon, chlorine, fluorine and other impurity metals. The process of metal reduction and purification is based on a complex of processes, the main of which are the plasma-chemical and electrochemical processes, in addition, metallothermal reduction of the base metal can take part in the process. In the present invention, in contrast to the prototype, the entire installation serves as a plasma torch, where the consumable electrode simultaneously serves as the anode and source of melt production, on which an arc is formed for its subsequent compression.
В начальный период плавления электрода образуется гарнисаж металла или его соединений на охлаждаемом поддоне, слой которого защищает медный поддон от тепловой нагрузки, которая будет увеличиваться по мере сжатия дуги и перемещении её к отверстию в поддоне. Расплав на поддоне поднимается частично вверх за счёт его
вращения, под действием электромагнитного поля соленоида. По мере его накопления, за счёт угла наклона поддона, расплав стекает к центральному отверстию. Далее расплав, проходя через центральное отверстие, которое представляет из себя сопло плазмотрона, получает значительную тепловую энергию, обогреваясь потоком плазмы, сформированную из сжатого дугового разряда, образуемого на аноде. Толщина слоя rарнисажа, образованного на поддоне зависит от тепловой мощности дуги, при этом слой гарнисажа может достигать различного размера. При работе плазмотрона, когда дуга горит между расходуемым электродом и поддоном (схема работы плазмотрона косвенного действия), гарнисаж имеет наименьшую толщину. При отключении поддона от отрицательного полюса, когда он становится нейтральным, отрицательный полюс переключается на шток, который вытягивает слиток из скользящего кристаллизатора, тем самым система электрод-поддон-слиток будет представлять из себя плазмотрон прямого действия [3], (cтp.407). При таком подключении дуга будет сфокусирована с большой площади расходуемого электрода, выступающего в качестве анода и сжата в отверстии поддона, выступающего в качестве сопла, при этом её тепловая мощь будет в основном направлена на верхнюю часть формируемого слитка, выступающего в качестве катода, а следовательно гарнисаж, который распределён по периферии поддона, будет нарастать, защищая поддон от теплового перегрева.In the initial period of melting of the electrode, a skull is formed of the metal or its compounds on the cooled tray, the layer of which protects the copper tray from heat load, which will increase as the arc contracts and moves to the hole in the tray. The melt on the pallet rises partially due to its rotation under the action of the electromagnetic field of the solenoid. As it accumulates, due to the angle of inclination of the pallet, the melt flows to the central hole. Further, the melt, passing through the central hole, which is a plasma torch nozzle, receives significant thermal energy, being heated by a plasma stream formed from a compressed arc discharge formed on the anode. The thickness of the skull layer formed on the pallet depends on the thermal power of the arc, while the skull layer can reach different sizes. During the operation of the plasma torch, when the arc burns between the sacrificial electrode and the tray (indirect operation of the plasma torch), the skull has the smallest thickness. When the pallet is disconnected from the negative pole, when it becomes neutral, the negative pole switches to the rod, which pulls the ingot from the sliding mold, thereby the electrode-pallet-ingot system will be a direct-acting plasmatron [3], (p.407). With this connection, the arc will be focused from a large area of the consumable electrode acting as an anode and compressed in the hole of the tray serving as a nozzle, while its heat power will be mainly directed to the upper part of the formed ingot acting as a cathode, and therefore the skull , which is distributed around the periphery of the pallet, will increase, protecting the pallet from thermal overheating.
При работе плазматрона в данном режиме, на оплавляемом электроде-аноде начинают протекать окислительные реакции. Так, например, если в качестве электрода (по типу создания электродов Кембриджским процессом) будет выступать двуокись титана, то под воздействием дугового разряда и бомбардировки торца электрода отрицательно заряженными ионами, будет выделяться кислород в виде газа. При этом, откачка вакуума ведётся через нижнюю камеру, данный кислород будет составлять часть газоплазменной струи, проходящей через поддон-сопло. Освободившийся от кислорода титан, стекая по поддону и попадая в ванну скользящего кристаллизатора-катода, будет дополнительно освобождаться от присутствующего в нём кислорода, как за счёт дополнительного обогрева плазменной струёй, которая будет ускорять плазмохимические процесс, так и за счёт электрохимических реакций, которые на катоде позволяют освобождаться металлу от кислорода.When the plasmatron operates in this mode, oxidative reactions begin to occur on the reflowable electrode-anode. So, for example, if titanium dioxide acts as an electrode (like the creation of electrodes by the Cambridge process), then under the influence of an arc discharge and bombardment of the electrode end with negatively charged ions, oxygen will be released in the form of gas. In this case, the vacuum is pumped through the lower chamber, this oxygen will form part of the gas-plasma jet passing through the drip tray. Titanium freed from oxygen, flowing down the pallet and falling into the bath of the sliding mold-cathode, will be additionally freed from the oxygen present in it, both due to additional heating by a plasma jet, which will accelerate the plasma-chemical process, and due to electrochemical reactions that take place on the cathode allow the metal to be released from oxygen.
Прямое восстановление титана из окислов, а так же других химических активных металлов, может быть ускорено при введении в электрод восстановителей, таких как кальций, натрий, магний, алюминий, углерод и т.п. При этом уже при плавлении электрода-анада, начнут протекать реакции металлотермического восстановления, которые будут ускоряться при попадании реакционной шихты на поддон по мере
продвижения её к отверстию-соплу. Восстановленный металл, попадая в ванну слитка, т.е. на катод, дополнительно нагреваясь струёй плазмы, начнёт избавляться от металлов восстановителей (которые обычно относятся к легкокипящим металлам) или углерода, которые в нём будут присутствовать, т.е. эти примеси будут испаряться.Direct reduction of titanium from oxides, as well as other chemical active metals, can be accelerated by the introduction of reducing agents, such as calcium, sodium, magnesium, aluminum, carbon, etc., into the electrode. In this case, already during the melting of the anada electrode, metallothermal reduction reactions will begin to take place, which will be accelerated when the reaction charge gets on the pallet as moving it to the nozzle hole. The reduced metal entering the ingot bath, i.e. to the cathode, additionally heated by a jet of plasma, it will begin to get rid of reducing metal metals (which usually refer to low-boiling metals) or carbon, which will be present in it, i.e. these impurities will evaporate.
Углерод, захватывая из металла оставшийся кислород, в виде СО или CO2, будет удаляться из реакции вакуумной системой. Плазменная струя, обогревая своим факелом ванну слитка, так же будет испарять шлаковые образования, которые будут закрывать эту ванну, так как при металлотермических процессах будут происходить реакции окисления металлов восстановителей.Carbon, capturing the remaining oxygen from the metal, in the form of CO or CO 2 , will be removed from the reaction by a vacuum system. Plasma jet, heating the ingot bath with its torch, will also evaporate slag formations, which will close this bath, as during metallothermal processes oxidation reactions of reducing metals will occur.
При получении слитка металла непосредственно из его соединений на вертикально-стационарном плазматроне (ВСП), а так же при получении слитка с помощью отдельных процессов, таких как металлотермия, гарнисажная, вакуумно- дуговая, индукционная или плазменная плавка, при содержании в металле слитка металлических и неметаллических включений выше нормы, целесообразно подвергнуть полученный слиток дополнительной переплавке на печи (ВСП). Данный способ особенно будет эффективен при переплавке титановых электродов, сформированных из некачественной губки, которая содержит повышенное содержание кислорода и хлора. Один переплав на печи ВСП позволит превратить металл в качественный. Усиленное газовыделение из титана хлора и кислорода будет способствовать хорошему формированию плазменной струи, для которой не понадобиться дополнительного введения инертного газа. Хлор и кислород удаляется из печи системой вакуумной откачки и улавливается системой сбора газов для их повторного использования. В случае переплава загрязнённой губки на вакуумно-дуговых печах, всегда существует реальная угроза бокового пробоя на кристаллизатор, который может привести к взрыву печи. Поэтому грязную губку на этих печах не переплавляют и используют в основном для ферротитана. Электронно-лучевые печи, так же не плавят данную шихту, так как повышенное газовыделение выводит из строя электронно-лучевые пушки. Обычные плазматроны, в виду их работы при повышенном газовом давлении, не позволяют металлу хорошо очиститься от газовых примесей. Поэтому очистка сильно загрязнённых металлов на печи ВСП может быть одной из самых эффективных на сегодняшний день.Upon receipt of an ingot of metal directly from its compounds on a vertically stationary plasmatron (VSP), as well as upon receipt of an ingot using separate processes, such as metallothermy, skull, vacuum arc, induction or plasma melting, when the ingot contains metal and non-metallic inclusions above the norm, it is advisable to subject the resulting ingot to additional remelting on the furnace (VSP). This method will be especially effective in the remelting of titanium electrodes formed from a poor-quality sponge, which contains a high content of oxygen and chlorine. One remelting at the VSP furnace will turn metal into high-quality. The enhanced gas evolution from titanium of chlorine and oxygen will contribute to the good formation of a plasma jet, which does not require additional introduction of an inert gas. Chlorine and oxygen are removed from the furnace by a vacuum pumping system and captured by a gas collection system for reuse. In the case of remelting of the contaminated sponge on vacuum-arc furnaces, there is always a real threat of lateral breakdown to the mold, which can lead to the explosion of the furnace. Therefore, the dirty sponge on these furnaces is not remelted and is used mainly for ferrotitanium. Electron beam furnaces also do not melt this mixture, since increased gas generation destroys electron beam guns. Conventional plasmatrons, in view of their operation under increased gas pressure, do not allow the metal to be well cleared of gas impurities. Therefore, the cleaning of heavily contaminated metals on a VSP furnace can be one of the most effective today.
Дополнительным технологическим рычагом, воздействующим на параметры нагрева, является возможность подачи дополнительного инертного газа в верхнюю камеру плавления, через трубопровод 12 и клапан 13. При работе в прямом режиме, подача дополнительного инертного газа будет способствовать нарастанию гарнисажа на поддоне за счёт охлаждения газом, но в то же время усиление потока плазменной струи будет
способствовать увеличению нагрева зеркала жидкой ванны 8 в слитке. При работе в косвенном режиме, подача дополнительного инертного газа будет способствовать нарастанию гарнисажа на периферии поддона, но в то же время его сплавлению ближе к центру. При переплаве электродов большого диаметра плазмообразующего газа, выделяемого за счёт дуги на его торце большой площади, становится вполне достаточно для успешной работы плазмотрона без какой либо дополнительной подкачки газа. Расходуемый электрод служит одновременно источником расплава и источником плазмообразующего газа, который усиливает свою тепловую энергию за счёт сужающегося отверстия в поддоне, причём чем меньше отверстие, тем выше температура образуемого потока плазмы и тем меньше диаметром можно получить слиток, при этом не опасаясь, что малое отверстие сопла зарастёт гарнисажем.An additional technological lever affecting the heating parameters is the possibility of supplying additional inert gas to the upper melting chamber through line 12 and valve 13. When operating in direct mode, the supply of additional inert gas will contribute to the increase in the skull on the pallet due to gas cooling, but in the same time the amplification of the plasma jet flow will be to increase the heating of the mirror of the liquid bath 8 in the ingot. When working in indirect mode, the supply of additional inert gas will contribute to the increase of the skull on the periphery of the pallet, but at the same time its fusion closer to the center. When remelting electrodes of a large diameter, the plasma-forming gas generated due to the arc at its end face of a large area becomes quite sufficient for the successful operation of the plasma torch without any additional pumping of gas. The consumable electrode serves both as a source of melt and a source of plasma-forming gas, which enhances its thermal energy due to the narrowing hole in the pan, and the smaller the hole, the higher the temperature of the generated plasma stream and the smaller the diameter you can get an ingot, without fearing that a small hole the nozzle will overgrow with a skull.
Представленное устройство ВСП позволяет очень компактно располагать оборудование в цеховом помещении. Так, например, при переплаве титанового электрода диаметром 1,2 м и длиной 1,5 м, верхняя часть установки над нулевой отметкой будет не более 3-х м, при выплавке слитка диаметром 0,5 м, глубина шахты составит 9 м.The presented VSP device allows very compact arrangement of equipment in the workshop room. So, for example, when a titanium electrode is re-melted with a diameter of 1.2 m and a length of 1.5 m, the upper part of the installation above the zero mark will be no more than 3 m, when the ingot is melted with a diameter of 0.5 m, the shaft depth will be 9 m.
В конструкции устройства может использоваться высокочастотный индуктор 22, который будет дополнительно разогревать плазменную струю и отжимать её к центру вертикальной оси, тем самым, облегчая и стабилизируя процесс плавления и восстановления металла.In the design of the device, a high-frequency inductor 22 can be used, which will additionally heat the plasma jet and squeeze it to the center of the vertical axis, thereby facilitating and stabilizing the process of melting and metal reduction.
В отличие от аналога, предлагаемый способ имеет более широкие возможности по усреднению химического состава и позволяет получать слитки меньшего диаметра, чем исходный электрод, тем самым резко снижая себестоимость продукции, увеличивая выход годного и сокращая время на переделе металла.In contrast to the analogue, the proposed method has wider possibilities for averaging the chemical composition and allows to obtain ingots of smaller diameter than the original electrode, thereby sharply reducing production costs, increasing yield and reducing time for metal redistribution.
В отличие от прототипа, заявленный способ более производителен, так как КПД нагревателя с использованием расходуемого электрода выше, при этом конструкция устройства значительно проще, чем печи с плазменными нагревателями.Unlike the prototype, the claimed method is more productive, since the efficiency of the heater using the consumable electrode is higher, while the design of the device is much simpler than furnaces with plasma heaters.
В отличие от Кембриджского процесса, процесс восстановления титана в устройстве ВСП, идёт с очень высокими скоростями, так как вещество за счёт ионизации при высокой температуре, значительно быстрее восстанавливается. Необходимо так же учесть, что в данном случае не применяется электролит, состоящий из определённого вещества в жидком виде, а, следовательно, нет ограничения по температуре нагрева восстанавливаемого металла.Unlike the Cambridge process, the process of titanium reduction in the VSP device proceeds at very high speeds, since the substance is restored much faster due to ionization at high temperature. It is also necessary to take into account that in this case an electrolyte consisting of a certain substance in liquid form is not used, and, therefore, there is no limitation on the heating temperature of the reduced metal.
В отличие от плазмохимического процесса синтеза двуокиси титана, не требуется зажигать реагирующие смеси специальным электродом из тугоплавкого металла, так как в предлагаемом изобретении электрод участвует в технологическом процессе,
одновременно являясь источником металла и анодом, на поверхности которого идёт выделение окисляющихся газовых продуктов реакции. Кроме того, не требуется подачи специальных газовых смесей для образования плазмы, так как последняя образуется за счёт газов, выделяемых с электрода-анода, дополнительное ваккуумирование смещает все реакции в сторону восстановления металла.Unlike the plasma-chemical process for the synthesis of titanium dioxide, it is not necessary to ignite the reaction mixtures with a special electrode made of refractory metal, since in the proposed invention the electrode is involved in the technological process, simultaneously being a source of metal and an anode, on the surface of which there is a release of oxidized gas reaction products. In addition, it is not necessary to supply special gas mixtures for the formation of plasma, since the latter is formed due to the gases released from the anode electrode, additional vacuum displaces all reactions in the direction of metal reduction.
В отличие от аналога, тепловая плотность дуги может быть больше на порядки, а, следовательно, скорости реакций восстановления и рафинирования металла, так же возрастают на порядки.Unlike the analogue, the thermal density of the arc can be greater by orders of magnitude, and, consequently, the rates of metal reduction and refining reactions also increase by orders of magnitude.
В связи с вышесказанным, данный способ и устройство могут быть полезны для широкого внедрения в промышленность.In connection with the foregoing, this method and device may be useful for widespread adoption in industry.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
[1]. Научно-технический журнал "Титан" N°2(19) 2006г., cтp.9÷10[one]. Scientific and technical journal "Titan" N ° 2 (19) 2006, p. 9 ÷ 10
[2]. A. H. Зеликман- Металлургия тугоплавких редких металлов, - Москва: Из -во[2]. A. H. Zelikman - Metallurgy of refractory rare metals, - Moscow: From -to
"Металлургия", 1986, cтp.343.Metallurgy, 1986, p. 343.
[3]. В.А.Кудрин, В.Парма. - Технология получения качественной стали, - Москва:[3]. V.A. Kudrin, V. Parma. - Technology for producing high-quality steel, - Moscow:
Из-во "Металлургия", 1984, стр.118.
From the "Metallurgy", 1984, p. 118.
Claims
1. Способ для производства химически активных металлов, включающий горение дуги на электроде, формирование плазменной струи за счёт газа и концентрации дуги в сопле и электромагнитном поле, обогревающей формируемый металл, вытягивание слитка из кристаллизатора, отличающийся тем, что осуществляют защиту сопла за счёт расплава восстановленного или недовосстановленного металла, стекаемого по нему с . расходуемого электрода или подсыпаемого на сопло отдельно, а толщину его регулируют режимами плавления, путем переполюсовки тока на электроде, сопле и формируемом металле, при этом газ для плазмы организуют в зоне горения дуги над соплом путем откачки вакуума через зону формирования слитка металла, находящуюся под соплом.1. A method for the production of chemically active metals, including the burning of an arc on an electrode, the formation of a plasma jet due to gas and the concentration of the arc in the nozzle and the electromagnetic field that heats the formed metal, drawing an ingot from the mold, characterized in that the nozzle is protected by the melt recovered or underreduced metal flowing down it with. consumable electrode or added to the nozzle separately, and its thickness is regulated by melting modes by reversing the current on the electrode, nozzle, and the metal being formed, while plasma gas is organized in the arc burning zone above the nozzle by vacuum pumping through the metal ingot formation zone located under the nozzle .
2. Способ по п.l, отличающийся тем, что в зону дугового разряда дополнительно нагнетают газ, а через нижнюю камеру производят глубокую откачку вакуума.2. The method according to claim 1, characterized in that gas is additionally injected into the arc discharge zone, and a deep vacuum is pumped through the lower chamber.
3. Устройство для реализации способа-вакуумно-стационарный плазматрон, содержащее разрядную камеру с размещенным в ней электродом, узел подвода газа, индуктор, и кристаллизатор, отличающийся тем, что, электрод выполнен расходуемым, нижняя часть верхнего участка камеры выполнена в виде поддона воронкообразной формы с отверстием в его центральной части, выполняющими функцию сопла, при этом с внешней стороны камеры в районе зоны дугового обогрева расположен соленоид, кроме того, в нижней части камеры по периметру дуги расположен индикатор, кристаллизатор с размещенным внутри слитком металла, который выполняет функцию катода, а электрод - анода.3. A device for implementing the method is a vacuum-stationary plasmatron containing a discharge chamber with an electrode placed therein, a gas supply unit, an inductor, and a mold, characterized in that the electrode is expendable, the lower part of the upper portion of the chamber is made in the form of a funnel-shaped tray with a hole in its central part that performs the function of a nozzle, while on the outside of the chamber in the region of the arc heating zone there is a solenoid, in addition, an indicator is located at the bottom of the chamber around the perimeter of the arc, ristallizator placed inside a metal ingot, which performs a cathode and the electrode - the anode.
4. Устройство для реализации способа по п. 3, отличающееся тем, что под соплом может быть расположен индуктор, дополнительно разогревающий плазму, препятствующий намерзанию на сопло расплава металла и концентрирующий его поток, а охлаждаемый кристаллизатор может быть выполнен скользящим, позволяющим удерживать зеркало ванны расплава на одном расстоянии от среза сопла, то есть, не нарушая технологическую работу плазматрона.4. A device for implementing the method according to claim 3, characterized in that an inductor can be located under the nozzle, additionally heating the plasma, preventing the metal melt from freezing on the nozzle and concentrating its flow, and the cooled crystallizer can be made sliding, allowing to hold the molten bath mirror at one distance from the nozzle exit, that is, without disturbing the technological operation of the plasmatron.
5. Устройство для реализации способа по п. 3, отличающееся тем, что вертикально-стационарный плазмотрон может работать по принципу косвенного, прямого и переменного действия, при этом электрод является анодом, на котором выделяется кислород и другие газы, а слиток металла катодом, где восстанавливается металл электрохимически, плазмохимически и металлотермически. 5. A device for implementing the method according to claim 3, characterized in that the vertically stationary plasmatron can operate on the principle of indirect, direct and variable action, the electrode being the anode on which oxygen and other gases are released, and the metal ingot is the cathode, where metal is reduced electrochemically, plasmochemically and metallothermally.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008109797/28A RU2401477C2 (en) | 2008-03-14 | 2008-03-14 | Volkov's method of producing chemically active metals and application of vertical stationary "vsp" plasma generator |
RU2008109797 | 2008-03-14 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2009113913A1 true WO2009113913A1 (en) | 2009-09-17 |
Family
ID=41065448
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2009/000117 WO2009113913A1 (en) | 2008-03-14 | 2009-03-10 | Method for producing chemically active metals and the structural design of a vertical stationary plasmotron |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2401477C2 (en) |
WO (1) | WO2009113913A1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU553842A1 (en) * | 1975-12-15 | 1986-10-30 | Предприятие П/Я Г-4911 | Vacuum plasm-electroslag furnace |
US4681627A (en) * | 1985-06-03 | 1987-07-21 | Mitsubishi Kinzoku Kabushiki Kaisha | Process for preparing an ingot from metal scrap |
RU1770420C (en) * | 1990-07-31 | 1992-10-23 | Запорожский машиностроительный институт им.В.Я.Чубаря | Method of refractory metals and alloys purification from non-ferrous metal impurities |
RU2209842C2 (en) * | 1999-12-20 | 2003-08-10 | Волков Анатолий Евгеньевич | Metal melting and pouring method |
RU2209841C2 (en) * | 1998-03-30 | 2003-08-10 | Волков Анатолий Евгеньевич | Metal pouring method |
RU2295574C2 (en) * | 2004-02-23 | 2007-03-20 | Анатолий Тимофеевич Неклеса | Method of production of metal and plant for realization of this method |
-
2008
- 2008-03-14 RU RU2008109797/28A patent/RU2401477C2/en not_active IP Right Cessation
-
2009
- 2009-03-10 WO PCT/RU2009/000117 patent/WO2009113913A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU553842A1 (en) * | 1975-12-15 | 1986-10-30 | Предприятие П/Я Г-4911 | Vacuum plasm-electroslag furnace |
US4681627A (en) * | 1985-06-03 | 1987-07-21 | Mitsubishi Kinzoku Kabushiki Kaisha | Process for preparing an ingot from metal scrap |
RU1770420C (en) * | 1990-07-31 | 1992-10-23 | Запорожский машиностроительный институт им.В.Я.Чубаря | Method of refractory metals and alloys purification from non-ferrous metal impurities |
RU2209841C2 (en) * | 1998-03-30 | 2003-08-10 | Волков Анатолий Евгеньевич | Metal pouring method |
RU2209842C2 (en) * | 1999-12-20 | 2003-08-10 | Волков Анатолий Евгеньевич | Metal melting and pouring method |
RU2295574C2 (en) * | 2004-02-23 | 2007-03-20 | Анатолий Тимофеевич Неклеса | Method of production of metal and plant for realization of this method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2401477C2 (en) | 2010-10-10 |
RU2008109797A (en) | 2009-09-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4519835A (en) | Transferred-arc plasma reactor for chemical and metallurgical applications | |
JP5427452B2 (en) | Method for producing titanium metal | |
CA2664818C (en) | Method and apparatus for continuous producing of metallic titanium or titanium-based alloys | |
Knight et al. | Application of plasma arc melting technology to processing of reactive metals | |
US3723630A (en) | Method for the plasma-ac remelting of a consumable metal bar in a controlled atmosphere | |
CN212778615U (en) | Multi-electrode vacuum non-consumable arc melting device for titanium and titanium alloy | |
RU2401477C2 (en) | Volkov's method of producing chemically active metals and application of vertical stationary "vsp" plasma generator | |
RU2401874C2 (en) | Procedure by volkov for production of chemically active metals and device for implementation of this procedure | |
WO2009120108A1 (en) | Method for producing chemically active metals and slag recovery and a device for carrying out said method | |
Paton et al. | Arc slag remelting for high strength steel & various alloys | |
Sears | Current processes for the cold-wall melting of titanium | |
RU1770420C (en) | Method of refractory metals and alloys purification from non-ferrous metal impurities | |
RU2170278C2 (en) | Method of production of primary aluminum and device for realization of this method | |
RU2318876C1 (en) | Apparatus for direct reduction of metals | |
RU2476599C2 (en) | Method for electric-arc liquid-phase carbon thermal reduction of iron from oxide raw material, and device for its implementation | |
RU2209842C2 (en) | Metal melting and pouring method | |
RU60936U1 (en) | DEVICE FOR DIRECT METAL RECOVERY | |
Gauvin et al. | Plasmas in extractive metallurgy | |
RU2612867C2 (en) | Method of melting highly reactive metals and alloys based thereon and device therefor | |
JP2006063359A (en) | Method and device for producing metal | |
RU2648615C1 (en) | Method of plasmochemical metal refining in vacuum and plasmotron for its implementation | |
RU2403120C2 (en) | Plant to cast metal blanks | |
CN101188880A (en) | Vacuum Consumable Electrode Arc Melting Furnace | |
RU2384625C1 (en) | Method of plasma reduction of iron from oxide melt and device for its implementation | |
JP4521877B2 (en) | Molten salt electrolysis apparatus for metal and method for producing metal using the apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 09720347 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 09720347 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |