КРИСТАЛЛИЗАТОР ДЛЯ ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ВЫПЛАВКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Полезная модель относится к металлургии, преимущественно к устройствам для вакуумной дуговой плавки высокореакционных металлов, в частности, титана и его сплавов.
Известна вакуумная дуговая электрическая печь (Волохонский Л.А / Вакуумные дуговые печи. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 9, рис. 1.1а) для выплавки слитков титановых сплавов, содержащая глухой кристаллизатор, установленный на поддон, расходуемый электрод, который при расплавлении формируется на дне кристаллизатора в слиток за счет охлаждения поддона внешней охлаждающей средой. Кроме поддона охлаждению внешней средой подвержена боковая поверхность кристаллизатора, содержащая корпус и образующая кольцевой зазор. В целом корпус и поддон образуют холодильник кристаллизатора, содержащий патрубки подвода охлаждающей среды, отвода нагретой среды, а также патрубки, соединяющие поддон с основной холодильной системой печи, расположенной на боковой поверхности кристаллизатора.
Недостатком известной конструкции вакуумной дуговой электропечи является пониженная эффективность работы, связанная с малой интенсивностью охлаждения, вследствие того что в существующей системе охлаждения кристаллизатора трудно организовать требуемую по условиям оптимальной работы толщину кольцевого зазора, эквидистантно отстоящего от внешней границы боковой поверхности кристаллизатора, поскольку обечайка кожуха изготавливается из сплошного листа тонкой листовой стали, обладающей малой жесткостью - большой гибкостью. Вследствие этого, с одной стороны, необходимо создавать гарантированную толщину кольцевого зазора повышенного значения, требующего для создания циркуляции охлаждающей среды прокачки повышенного расхода воды. С другой стороны, малая толщина кольцевого зазора приводит к росту гидравлических сопротивлений, делающих экономически невыгодным его осуществление.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленной полезной модели является вакуумная дуговая электропечь для выплавки титановых слитков, работающая в настоящее время на ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» (Андреев А.Л., Аношкин Н.Ф., Бочвар Г.А. и др. Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1994, с. 159-161, рис. 58).
Печь содержит глухой кристаллизатор с поддоном, систему охлаждения и расходуемый электрод. Она отличается от вышеприведенной тем, что в системе охлаждения боковой основной поверхности кристаллизатора используется кожух с двойными стенками - внутренней и наружной, которые расположены соосно относительно оси кристаллизатора и коаксиально с кольцевым зазором относительно друг друга.
В каждом из двух кольцевых зазоров находится охлаждающая кристаллизатор водяная среда, а именно: во внутреннем - между внутренней стенкой и боковой поверхностью кристаллизатора, охлаждающая водная среда, циркулирующая со скоростью 1-3 м/сек вдоль поверхности под напором воды в системе водоснабжения, а другая - между внутренней и наружной стенкой кожуха, находится фактически в неподвижном состоянии, сохраняя от перегрева намотку соленоида. Два потока воды подаются в общую систему водоснабжения параллельно, причем во вторую (охранную) систему вода подается и удаляется через отверстия малого диаметра исключая быстрый проток воды, тем самым обеспечивая хороший проток воды в кольцевом зазоре между изложницей и внутренней стенкой кожуха. При этом второй кольцевой зазор значительно больше первого, равного 14 мм. Охранное охлаждение должно стабилизировать процессы охлаждения деталей конструкции кристаллизатора. Недостатком прототипа является неравномерность теплоотвода в поперечном направлении по высоте и периметру изложницы кристаллизатора. Это обусловлено тем, что подвод воды к изложнице в нижнем коллекторе производится единичным патрубком, сопло которого имеет направление близкое к
перпендикулярному к поверхности кристаллизатора (угол равен 90±30°). Вода в коллекторе разбивается на два потока, которые встречаются в зоне, противоположной входному патрубку на высоте 300-800 мм от поддона. В результате в этой зоне образуется застойная область, в которой эффективность охлаждения изложницы снижена по отношению к другим областям. Здесь наблюдается значительный рост температуры стенки изложницы, на 50-120°C выше чем на остальных участках. Стенки изложницы испытывают большие сжимающие нагрузки в результате внешнего давления воды не менее 4 атм и наличие вакуума внутри. В перегретых местах стенки изложницы напряжения могут превышать предел упругости металла изложницы. Результатам этого является образование вогнутости вовнутрь изложницы (коробление). Глубина вогнутости составляет 4 мм и более, что препятствует извлечению слитка из изложницы после охлаждения. Наблюдались случаи, когда дорогостоящая изложница выходила из строя после нескольких десятков плавок.
Задачей, на решение которой направлено техническое решение -повышение эффективности и равномерности охлаждения изложницы кристаллизатора за счет равномерного подвода воды, исключающего застойные зоны.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является повышение срока службы изложницы кристаллизатора, повышение качества выплавляемого слитка и снижение его себестоимости за счет исключения деформации стенки в нижней части изложницы.
Указанный технический результат достигается тем, что кристаллизатор для вакуумно-дуговой выплавки титановых сплавов, содержит изложницу, водоохлаждаемый поддон, внутреннюю охлаждающую полость, образованную наружной цилиндрической поверхностью изложницы и внутренней стенкой кожуха, дополнительную полость охлаждения образованную внутренней и наружной стенками кожуха, коллекторы нижний для подвода воды и верхний для отвода воды, при этом нижний коллектор выполнен в виде двух последовательно размещенных полуколец, которые сообщаются с внутренней охлаждающей полостью не менее 4 отверстиями, расположенными на равных расстояниях друг от друга.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан предлагаемый кристаллизатор вакуумной дуговой печи, вид спереди; на фиг. 2 - разрез А-А.
Кристаллизатор содержит изложницу 1 с водоохлаждаемым поддоном 2. Изложница установлена в водоохлаждаемый кожух. Кожух имеет внутреннюю стенку 3 и наружную стенку 5. Кольцевые зазоры между изложницей и стенками кожуха образуют внутреннюю охлаждающую полость 4 и наружную охлаждающую полость 6. В нижней части кожуха находится коллектор подвода воды 7, состоящий из полукольца 8 и полукольца 9 с отверстиями 10, а в верхней части - коллектор отвода воды 11.
Кристаллизатор работает следующим образом. В процессе ведения выплавки титанового сплава расплавленный металл застывает в виде слитка вследствие отвода тепла водоохлаждаемым поддоном 2 и изложницей 1, которая охлаждается с внешней стороны циркулирующей водой в полости 4, вода в дополнительной полости охлаждения 6 образованной внутренней стенкой 3 и наружной стенкой 5 кожуха, стабилизирует процесс охлаждения кристаллизатора. Через коллектор 7, осуществляется равномерный подвод воды по всему периметру боковой поверхности изложницы через коллекторные полукольца 8 и 9, в каждом из которых выполнены не менее 4 равноотстоящих друг от друга отверстий. Равномерное распределение воды по всему периметру в самой нижней части внутренней охлаждаемой полости 4 гарантирует равномерное охлаждение изложницы, как по ее периметру так и по высоте.
Отсутствие местных застойных зон, перегревов и равномерное охлаждение способствует снижению коробления изложницы за счет снижения термических напряжений в ней, что увеличивает долговечность изложницы и повышает взрывобезопасность печи ВДП. Отсутствие коробления и равномерное охлаждение изложницы способствуют получению более качественной поверхности и структуры слитка, обеспечивают свободную выгрузку слитка из изложницы, уменьшение затрат на ее ремонт, снижение количества брака, и снижение себестоимости получения титановых слитков. Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет выполнить поставленную задачу, при этом достигается возможность получения вышеупомянутого технического результата.