УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ
DEVICE FOR PRODUCTION OF CASTS BY DIRECTED CRYSTALLIZATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Техническое решение относится к области литейного производства и может быть использовано для получения крупногабаритных отливок направленной кристаллизацией из никелевых сплавов и сталей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно устройство для получения отливок направленной кристаллизацией, содержащее вакуумную камеру, где расположены индукционная печь для расплавления и заливки металла, печь нагрева литейной формы, система подвески формы с механизмом перемещения, в зоне охлаждения камеры печи размещена емкость с легкоплавким жидко металлическим охладителем (ЖМО) для охлаждения формы, установленная на поддоне и водоохлаждаемом столе [патент РФ №2267380, МПК B22D 27/04, опубл. 10.012006].
Преимуществом устройства является полный контакт нижней части неровной керамической формы с ЖМО по всей поверхности с эффективным теплоотводом и обеспечение достаточно высокого градиента температурного поля между расплавом металла и донной частью формы для формирования направленной структуры и минимизации микропористости отливки.
Недостатками аналога являются малый размер по высоте (до 200 мм) и небольшая масса (до 10 кг) отливаемых деталей. Это обусловлено тем, что при закреплении на подвеске в верхней части непрочные и хрупкие керамические формы часто отрываются и падают в ЖМО с соответствующей потерей отливки, выходом из строя ЖМО или даже повреждения оборудования, что ограничивает габариты получаемых отливок.
В развитие указанного аналога предложено устройство, в котором система подвески для закрепления литейной формы с механизмом ее перемещения дополнительно содержит приспособление для размещения литейной формы, а емкость для ЖМО выполнена в виде катушки из медной водоохлаждаемой трубки или водоохлаждаемой кольцевой емкости, включающей автономный нагреватель [патент РФ №22492026, МПК B22D 27/04, опубл. 10.09.2013].
Такая конструкция позволяет обеспечить эффективный теплоотвод от нижней части формы к ЖМО и получать отливки с увеличенными габаритами.
Недостатки устройства:
- недолговечность системы подвески из молибдена, погружающейся в ЖМО и химически взаимодействующей с ними и необходимость в индивидуальной системе подвески под каждую форму;
- неэффективное использование рабочего пространства печи нагрева из-за существенных габаритов системы подвески литейной формы.
Известно устройство для получения отливок направленной кристаллизацией, содержащее вакуумную печь с камерой нагрева формы, плавки и заливки расплава и камерой охлаждения формы с ванной ЖМО, механизм перемещения формы из камеры нагрева в камеру охлаждения, вакуумную систему и систему подачи охлаждающего инертного газа, приспособление распределения струйного потока газа по периметру формы через газопроводы, размещенные в ванне ЖМО на глубине до 15 см [патент РФ №2226449, МПК B22D 27/04, опубл. 10.04.2004].
В данном устройстве эффективность создания высокого градиента температурного поля при кристаллизации крупногабаритной отливки и уменьшения объема микропористости в ней достигается за счет:
- увеличение интенсивности охлаждения путем струйной подачи инертного газа на поверхность формы, погруженной в ЖМО;
2*
- увеличения остаточного давления в камере и подавления возможности кипения ЖМО с образованием паров одноатомных металлов, теплопроводность которых чрезвычайно низка, а коэффициент теплопередачи через пленку не превышает 10 Вт/мград.
Недостатками устройства является:
- чрезмерное увеличение толщины стенок керамической формы, закрепленной в верхней части на подвеске для ее упрочнения и исключения разрушения при заливке металла, которое, в связи с низкой теплопроводностью материала керамической формы, снижает тепловой поток от отливки и градиент температурного поля;
- сложная конструкция приспособления для подвода охлаждающего газа к форме в ЖМО;
- необходимость большого объема ЖМО.
Известно устройство (прототип 1) для получения отливок направленной кристаллизацией, содержащее герметичную камеру нагрева, в которой установлены поворотная индукционная печь плавки и печь нагрева формы, расположенная ниже печи плавки, ниже камеры нагрева расположена камера охлаждения, изолирующий клапан, расположенный между камерой нагрева и камерой охлаждения, механизм вертикального перемещения и поворота литейной формы относительно вертикальной оси, содержащий шток, проходящий через герметичное подвижное уплотнение в донной части камеры охлаждения, поддон с охлаждаемой полостью, установленный на верхнем торце штока, на котором размещена форма, механизм фиксации формы в печи нагрева, состоящий из соосно расположенных шлицевого диска и шлицевой опоры, шлицевая опора закреплена в нижней части печи нагрева, шлицевой диск и шлицевая опора имеют шлицы и выступы с размерами, обеспечивающими возможность скольжения их относительно друг друга при подъеме формы в печь нагрева формы [патент РФ 2545979, МПК B22D 27/04, опубл. 10.04.2015].
Недостатком устройства является недостаточно высокая эффективность теплотвода с нижней неровной поверхности формы вследствие ее контактирования с охлаждаемым поддоном только в отдельных точках из-за очень низкой теплопроводности вакуумного слоя.
Известно устройство (прототип 2) для получения изделий направленной кристаллизацией, включающее печь с тиглем для плавки и заливки металла, печь нагрева литейной формы, имеющий в донной части отверстие, в котором располагается затравочный кристалл, форма расположена на промежуточном теплопроводном блоке, размещенном на водоохлаждаемом поддоне [ЕР 0496978, МПК B22D 27/04, опубл. 05.08.1992]. Форма и теплопроводный блок герметично соединены через термостойкие элементы. После вакуумной очистки блок теплопроводности поднимается вверх и затравочный кристалл входит в донное отверстие формы. После заливки металла тепло отводится через затравочный кристалл с получением отливки с направленной структурой.
Такая конструкция позволяет получать достаточно плотные отливки с увеличенными габаритами.
Однако, в данной конструкции блок теплопроводности из-за неплоскостности сопрягаемых поверхностей и деформаций при высоких температурах контактирует с водоохлаждаемым поддоном не по всей поверхности, а по отдельным пятнам контакта с вакуумной прослойкой между ними не менее 0,5 мм, что не может обеспечить достаточно интенсивный теплоотвод от нижней поверхности формы и высокое качество отливки. Кроме того, уплотнения между формой и блоком теплопроводности недостаточно надежны, а необходимость точного совмещения затравочного кристалла с отверстием в форме в условиях высоких температур усложняет и удорожает устройство.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей изобретения является устройство для получения крупногабаритных отливок направленной кристаллизацией, повышающее эффективность теплоотвода от отливки за счет создания теплопередающим жидкометаллическим охладителем полного контакта между нижней частью поверхности формы и водоохлаждаемым поддоном.
Для решения технической задачи предлагается устройство для получения отливок направленной кристаллизацией, содержащее герметичную камеру нагрева, в которой установлены поворотная индукционная печь плавки и печь нагрева литейной формы, расположенная ниже печи плавки, ниже камеры нагрева расположена камера охлаждения, изолирующий клапан, расположенный между камерой нагрева и камерой охлаждения, механизм вертикального перемещения и поворота формы относительно вертикальной оси, содержащий шток, проходящий через герметичное подвижное уплотнение в донной части камеры охлаждения, поддон с охлаждаемой полостью, установленный на верхнем торце штока, на котором размещена форма, механизм фиксации формы в печи нагрева, состоящий из соосно расположенных шлицевого диска и шлицевой опоры, шлицевая опора закреплена в нижней части печи нагрева, шлицевой диск и шлицевая опора имеют шлицы и выступы с размерами, обеспечивающими возможность скольжения их относительно друг друга при подъеме формы в печь нагрева формы, отличающийся тем, что на поддоне установлена емкость для жидкометаллического охладителя, которая контактирует с поддоном по всей поверхности, поддон соединен со штоком герметично и разъемно, при этом, емкость с жидкометаллическим охладителем имеет возможность подняться в печь нагрева формы до соприкосновения с нижней поверхностью формы, причем жидкометаллический охладитель в жидком состоянии полностью охватывает нижнюю часть поверхности формы, а емкость для жидкометаллического охладителя и поддон выполнены как одно целое и монолитно.
Жидкометаллический охладитель до подъема в печь нагрева формы находится в твердом состоянии.
Жидкометаллический охладитель до подъема в печь нагрева формы находится в расплавленном состоянии.
Толщина слоя расплавленного жидкометаллического охладителя находится в пределах 1-5 мм.
Емкость для жидкометаллического охладителя покрыта керамическим слоем толщиной 0,03-0,25 мм из оксида алюминия или оксида циркония.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность предложенного технического решения поясняется фигурами:
Фиг. 1 - Схема устройства.
Фиг. 2 - Форма с расплавленным металлом, расположенная на твердом ЖМО (алюминий) - вид А на фиг. 1 (увеличено).
Фиг. 3 - Форма с затвердевающим металлом, расположенная на расплавленном ЖМО - вид Б на фиг. 1 (увеличено).
2
3
2
3
1 - Камера нагрева; 2 - Камера охлаждения; 3 - Печь плавки; 4 - Тигель (AlO); 5 - Металл (никелевый сплав или сталь); 6 - Печь нагрева; 7 - Шлицевая кольцевая опора; 8 - Шлицевой диск; 9 - Клапан изолирующий; 10 - Боковая дверца; 11 - Литейная форма (AlO); 12 - Шток подъема формы; 13 - Поддон водоохлаждаемый; 14 - Емкость для ЖМО; 15 - ЖМО (алюминий) твердый; 16 - ЖМО (алюминий) расплавленный; 17 - Металл в форме расплавленный; 18 - Металл в форме закристаллизованный; 19 - Литейная воронка; 20 - Выступ на форме; 21 - Зазор между формой и поддоном.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Печь (фиг. 1) состоит из двух герметичных камер - камеры нагрева (1) и камеры охлаждения (2).
В верхней части камеры нагрева располагается индукционная печь плавки (3) с тиглем (4), предназначенная для плавки и заливки металлической шихты из никелевого сплава или стали (5).
В нижней части камеры нагрева располагается печь нагрева формы (6) и шлицевая кольцевая опора (7), имеющая в отверстии чередующиеся шлицы между выступами (фиг. 2).
Печь нагрева предназначена для нагрева до температуры, например, 1650°С и выдержки при ней формы в течение заданного времени. Форма опирается на шлицевой диск (8), а шлицевой диск - своими выступами на выступы шлицевой опоры. Диск по периметру имеет чередующиеся выступы между шлицами. После поворота относительно вертикальной оси на угол θ шлицевой диск имеет возможность перемещаться в вертикальном направлении относительно шлицевой опоры, при этом выступы диска скользят по шлицам шлицевой опоры.
Между камерой нагрева и камерой охлаждения располагается изолирующий клапан (9), предназначенный для их герметичного отсечения.
Камера охлаждения имеет боковую дверцу (10) для загрузки и выгрузки литейной формы (11).
На штоке подъема (12), оснащенном приводами вертикального перемещения и вращения (не показаны), расположены водоохлаждаемый поддон (13) с емкостью (14) для легкоплавкого жидкометаллического охладителя (ЖМО) в твердом (15) и расплавленном (16) состоянии и литейная форма (фиг. 2 и фиг. 3). Шток имеет центральное отверстие, в котором размещена трубка для подачи охлаждающей воды в поддон и кольцевую полость для его обратного выхода.
Поддон предназначен для отвода тепла от расплава металла (17) и формы через ЖМО над поддоном для обеспечения направленной кристаллизации металла (18), залитого через литейную воронку (19).
Объемы емкости над поддоном и размещенного в ней ЖМО выбираются исходя из обеспечения полного контакта между нижней частью формы и ЖМО.
Работает печь следующим образом.
Изолирующий клапан переводится в положение «закрыто».
Включается печь нагрева формы, ее температура доводится до 1650°С.
-1
Форма устанавливается на шлицевой диск, расположенный на штоке в камере охлаждения. После закрытия и герметизации боковой дверцы включается вакуумная система и остаточное давление в камере снижается до величины менее 10 Па.
Изолирующий клапан переводится в положение «открыто».
Шток поднимает форму в печь нагрева формы. Выступы шлицевого диска скользят по шлицам шлицевой опоры и шлицевой диск на 3…5 мм поднимается выше шлицевой опоры. После этого шток, соответственно, и шлицевой диск поворачиваются обратно на угол θ, включается движение штока вниз, при этом шлицевой диск, опустившись на 3…5 мм, своими выступами садится на выступы шлицевой опоры, а шток продолжает свое движение вниз в камеру охлаждения до крайнего нижнего положения.
Изолирующий клапан переводится в положение «закрыто».
Форма в печи нагрева выдерживается в течение заданного времени.
Металлическая шихта до окончания выдержки формы в печи нагрева загружается в тигель печи плавки, расплавляется и при температуре, например, 1550°С через литейную воронку заливается в форму (фиг. 2).
После выдержки металла в форме изолирующий клапан переводится в положение «открыто».
Шток с водоохлаждаемым поддоном и ЖМО (находится в твердом состоянии) (фиг. 2), расположенным в емкости, поднимается в печь нагрева, упирается в шлицевой диск с формой и на 3…5 мм приподнимает его. В этом состоянии форма выдерживается в печи до перехода ЖМО в расплавленное состояние. Время перехода ЖМО в расплавленное состояние регулируется температурой залитого металла в форме и объемом ЖМО. Переход ЖМО в расплавленное состояние контролируется визуально и пирометром, встроенными в стенку камеры на уровне формы (не показан). После этого включается охлаждение поддона путем ввода в его полость охлаждающей воды с требуемыми параметрами (фиг. 3).
До подъема в печь нагрева ЖМО может находиться в расплавленном состоянии, для чего емкость (14) может быть оснащена встроенным нагревательным элементом.
До расплавления ЖМО зазор между выступом формы и шлицевым диском составляет величину «G» (фиг. 2). После расплавления ЖМО форма опускается на эту величину и своим выступом (20) садится на шлицевой диск (8). При этом, форма выдавливает ЖМО в зазор (21) между формой и емкостью в результате чего он поднимается на заданную величину «Н» относительно нижней поверхности формы (фиг. 3). Таким образом, обеспечивается полный контакт ЖМО не только с нижней, но и боковой поверхностью формы и эффективный теплоотвод от отливки.
Толщина слоя δ ЖМО (16) должна быть минимальной, но достаточной для полного охвата нижней части формы в расплавленном состоянии и его подъема на заданную величину «Н». Предпочтительно, эта толщина должна составлять не менее 1 мм и не более 5 мм. Увеличение толщины более 5 мм нецелесообразно из-за увеличения габаритов устройства и неоправданного расхода ЖМО.
Шток с формой поворачивается обратно на угол θ и начинает опускаться со скоростью 1…10 мм/мин, при этом выступы шлицевого диска скользят по шлицам шлицевой опоры.
Изолирующий клапан переводится в положение «закрыто».
Расплав металла кристаллизуется от нижней к верхней части формы с выведением микропористости в верхнюю часть отливки.
После снижения температуры формы до 400-600°С камера охлаждения девакуумируется и форма с отливкой извлекается из печи.
Начинается следующий цикл получения отливки.
Для подтверждения возможности повышения эффективности теплоотвода и получения заявленного результата по существенному повышению градиента температурного поля выполнен оценочный расчет граничных температур для трех вариантов осуществления процесса литья:
Вариант В1 (прототип 1). Форма устанавливается на медный поддон - слой вакуума между формой и поддоном 2 мм.
Вариант В2 (прототип 2). Форма устанавливается на блок теплопроводности по прототипу 2, а блок теплопроводности на медный поддон - слой вакуума между блоком теплопроводности и поддоном 0,5 мм.
Вариант В3 (заявленный). Форма устанавливается в емкость с твердым ЖМО из алюминия, которая выполнена на медном поддоне; слой ЖМО между формой и поддоном после расплавления составляет 2 мм.
Исходя из опытных работ приняли:
Температура расплава металла в форме (Tf1), 1400°С;
Температура охлаждающей воды в поддоне (Tf2), 60°С;
Внутренний диаметр трубы для подвода охлаждающей воды (d), 0,030 м;
2
Площадь поверхности теплообмена (F), 0,008 м.
Расчет граничных температур провели по классическим формулам:
Tw1=Tf1-q⋅(1/α1) [°С],
где Tw1 - температура на границе «расплав металла-форма»,°С;
2
q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м: q=(Tf1-Tf2)/(1/α1+δ1/λ1+δ2/λ2+δ3/λ3)+(1/α2);
Тепловой поток Q определяли по формуле:
*
Q=qF [Вт].
Расчет температур на границе "форма - слой вакуума (или ЖМО)" провели по формуле T1=Tw1-q⋅δ1/λ1 [°С], а температур на границе "слой вакуума (или ЖМО) - поддон" по формуле T2=Tw1-q⋅δ2/λ2 [°С].
В этих формулах:
δ1, δ2 и δ3 - толщины формы (0,010), слоев вакуума (0,002 для В1 и 0,0005 для В2) или ЖМО (0,002) и поддона (0,010), м;
λ1, λ2, λ3 и λ4 - коэффициенты теплопроводности формы (2,40), слоя вакуума (0,10 для В1 и В2), ЖМО (100,0), медного поддона (373,0) и воды (0,65), Вт/(м⋅°С). Источники информации для этих коэффициентов взяты:
- λ1 для вариантов 1-3 для температур 400-1200 К: Стр. 359, Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина и др. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.
- λ2 для вариантов 1-2 вакуум с остаточным давлением 0,001 бар, температура 1500 К: Стр. 631, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Варгафтик Н.Б. - М.: Наука, 1972. - 720 с.
- λ2 для варианта 3, температуры 1000-1200 К: Стр. 108, Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: Справочник / Зиновьев В.Е. - М.: Металлургия, 1989. - 384 с.
- λ3 для вариантов 1 и 2, температуры 293-873 К: Стр. 180, Теплофизические свойства материалов ядерной техники: справочник / Чиркин B.C. - М.: Атомиздат, 1968. - 468 с.
- λ4 для вариантов 1-3, вода при температуре 40-80 С: Стр. 48, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Варгафтик Н.Б. - М.: Наука, 1972. - 720 с.
2
α1 и α2 - коэффициенты теплоотдачи от расплава металла к форме и от поддона к охлаждающей воде, Вт/ (м⋅°С). Источники информации для этих коэффициентов:
- α1 (равен 1050,0): Стр. 72, Дубровская А.С. Численное моделирование процесса изготовления отливок деталей газотурбинных двигателей методом точного литья. ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследов. политехи, университет». Диссертация на соиск. ученой степени к.т.н. - Пермь - 2015.
- α2 (равен 4902,0): рассчитан по классической формуле  где
- безразмерный критерий Нуссельта;
d - внутренний диаметр трубы (0,030), м.
При этом, критерий Нуссельта  определяется по формуле  где
ж
ж
ж вх.
Re - безразмерный критерий Рейнольдса: Re=V⋅d/ν;
ж
0,43
Pr - критерий Прандтля равен 2,97 для нагреваемой воды при среднеарифметической температуре 55-60°С;
ж вх
V - скорость движения воды в трубе, 1,0 м/с;
2
ν - коэффициент кинематической вязкости воды, 0,00000055 м/с;
c
c
1
1
Pr - критерий Прандтля для воды равен 2,10 при температуре стенки в первом приближении, t=80-85°С;
L
L
E - поправочный коэффициент на начальный термический участок стабилизации потока: при H/d≥50, то E=1,0.
Результаты расчета граничных температур представлены в таблице.
Данные таблицы свидетельствуют о существенном снижении температуры на границе «расплав-форма» (1162°С против 1350°С и 1277°С) и многократном снижении температуры на границе «форма-ЖМО» (123°С против 1129°С и 737°С) по заявленному изобретению относительно прототипов за счет эффективной теплопередачи от формы к поддону слоем ЖМО, что будет создавать повышенный градиент температурного поля между расплавом металла и нижней поверхностью формы и обеспечивать снижение микропористости и повышение качества отливок.
При толщине ЖМО менее 1 мм не обеспечивается полный 100%-ный контакт между поверхностью формы, а толщина более 5 мм неоправданно увеличивает термическое сопротивление теплоотводящего блока и снижает градиент температурного поля, а также приводит к увеличению расхода ЖМО.
Толщина керамического оксидного покрытия на внутренней поверхности емкости для ЖМО менее 0,03 мм недостаточно надежно защищает медный поддон от взаимодействия с расплавом алюминия, а более 0,25 мм заметно увеличивает термическое сопротивление теплоотводящего блока.