УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ

Полезная модель относится к устройствам для отливки заготовок по выплавляемым моделям, в частности к установкам для направленной кристаллизации отливок из жаропрочных и коррозионностойких сталей и сплавов. Может быть использовано в производстве точных отливок, в частности лопаток, для авиационных газотурбинных двигателей.
Известна установка для изготовления отливок направленной кристаллизацией (Патент РФ №1374563, B22D 27/04, 20.07.1995 г), содержащая вакуумную плавильно-литейную камеру, шлюзовую камеру, каретки с подвесками для закрепления литейных форм, индукционную печь, электропечь подогрева литейных форм, проходную печь для предварительного нагрева, поворотное загрузочное устройство, привод перемещения емкости с жидкометаллическим охладителем. Недостатком известной установки является слишком сложная и практически не пригодная для реального применения конструкция.
Известна также установка для изготовления отливок направленной кристаллизацией модели УВНК-8П (Патент РФ №1187352, B22D 27/04, 10.02.2000 г.), принятая нами за прототип, содержащая вакуумную плавильную камеру, шлюзовую камеру, каретки с подвесками для закрепления литейных форм, индукционную печь, жидкометаллический кристаллизатор, механизм вертикального перемещения литейной формы и печь подогрева форм. Недостатком прототипа является недостаточная надежность в эксплуатации ввиду сложности конструкции наиболее важного и ответственного из узлов, а именно печи для подогрева литейных форм. Она имеет водяную рубашку, в которой циркулирует вода для охлаждения наружного металлического корпуса. В описании промышленных установок для литья лопаток газотурбинных двигателей с направленной кристаллизацией (Каблов Е.Н. «Литые лопатки газотурбинных двигателей», М., «МИСИС» 2001 г.) отмечено: «Вода подается для охлаждения… печи подогрева форм» (Стр.383). Необходимость охлаждения вызвана тем, что конструкция металлического корпуса печи со сплошными металлическими стенками сильно нагревается за наведенных токов Фуко от индуктора расположенной рядом плавильной печи, поэтому никакая внутренняя теплоизоляция не обеспечивает эффективной защиты металлического каркаса. Такая конструкция печи подогрева, в которой создается температура 1500-1658°С, требует значительного дополнительного расхода электроэнергии на нагрев с учетом потерь тепла с охлаждающей водой. Кроме того, потери тепла вызваны недостаточно герметичными местами соединения частей теплоизоляции по углам, что приводит к утечке тепла через футеровку печи. Через эти же щели имеет место подсос холодного воздуха в полость печи, а это приводит к браку по макрозерну отливаемых лопаток. В известных плавильно-заливочных установках, печь для подогрева литейных форм расположена в полости вакуумной плавильной камеры, там - же расположена индукционная печь, в которой плавится металл. Это создает высокий уровень опасности взрыва при утечке воды из системы охлаждения. Кроме того, наличие отверстий в стенках вакуумной камеры, где проходят трубы подачи воды для охлаждения корпуса печи подогрева литейных форм, усложняет создание и поддержание вакуума в полости камеры.
Задачей полезной модели является повышение надежности в эксплуатации, снижение расхода электроэнергии, повышение уровня безопасности и повышение качества отливок. Решение поставленной задачи достигается тем, что корпус печи подогрева форм состоит из металлического каркаса, выполненного виде рамы из уголков по всем ребрам и теплоизоляционного слоя футеровки, установленного в каркасе и выполненного с герметичными соединениями по углам на всю высоту вертикальных стенок.
На Фиг.1 - показана схема установки для изготовления отливок направленной кристаллизацией, на Фиг.2 - вид с торца на вакуумную камеру, на Фиг.3 - печь подогрева литейных форм, на Фиг.4 - разрез по А-А (см. Фиг.3).
Установка для изготовления отливок направленной кристаллизацией содержит плавильную вакуумную камеру 1 (Фиг.1), предназначенную для размещения в ней жидкометаллического кристаллизатора 2, печи подогрева форм 3, каретки 4 с подвесками форм, механизма вертикального перемещения литейной формы 5, плавильной индукционной печи 6 (см. Фиг.2). Установка снабжена также шлюзовой камерой 7 с затворами 8 и 9, которая обеспечивает возможность загрузки и выгрузки залитых блоков форм 10 без нарушения вакуума в плавильной камере 1.
Печь подогрева литейных форм 3 имеет корпус в виде каркаса 11 (Фиг.3). Каркас 11 имеет специальную конфигурацию и выполнен из профилей коррозионностойкого материала, которые образуют прямоугольную раму из уголков по всем ребрам. Это исключает циркуляцию токов Фуко в металлическом корпусе, наведенных от индукционных нагревателей плавильной печи, которые могли бы привести к нежелательному нагреву конструкции. Футеровка (Фиг.4) выполнена с внутренней стороны каркаса 11 из листового асбеста 12 и плит углекомпозитного материала 13, которые соединены по углам «в замок». Это обеспечивает герметичность боковых стенок внутренней полости печи. В результате значительно сокращаются потери тепла и полностью исключается подсос холодного воздуха, а изоляция 13 с внутренней стороны эффективно защищает металлический каркас 11 печи от перегрева. Благодаря такой конструкции печи, как показала практика, не требуется применять систему принудительного охлаждения корпуса печи путем циркуляции жидкого хладоагента, например, воды.
Нагревательные элементы 14, 15 выполнены из графита и подключены через токоподводы 16 к источнику питания в виде сварочного трансформатора (условно не показан). Печь снабжена дверью 17, через которую производится загрузка блоков литейной формы 10 (см. Фиг.1). Температурный режим в полости печи и каркасе контролируется с помощью комплекта датчиков температуры (термопар) 18, подключенных к системе управления (условно не показана), которая автоматически поддерживает требуемый режим температуры подогрева литейных форм (1500-1600°С) и контролирует тепловой режим каркаса печи.
Работа описанной установки производится следующим образом. Керамическая форма 10 (см. Фиг.1) для заливки, например, заготовок лопаток, закатываются на подвеске 4 в полость печи подогрева 3, которая закрывается дверью 17. В плавильной камере 1 создают вакуум (откачивают до 0,133 Па) и включают нагреватели 14 и 15 печи 3. По достижении требуемой температуры в полости печи 3 включается индукционная печь 6, в которой расплавляется металл. Расплавленный металл заливается в нагретую форму 10 при температуре 1550-1580°С, после чего начинается процесс направленной кристаллизации заготовок лопаток путем опускания, при помощи механизма вертикального перемещения 5, блока формы 10 с залитым металлом, в ванну кристаллизатора 2 с расплавом алюминия. После окончания кристаллизации металла в форме 10, печь подогрева 3 выключается. При снижении температуры печи до 900°С блок формы 10 поднимается в исходное положение и выводится из печи 3, а затем из плавильной камеры 1 через затвор 8 в шлюзовую камеру 7, а затем через затвор 9 наружу.
Благодаря специальной конструкции корпуса печи подогрева форм и эффективной изоляции снижается тепловая нагрузка на металлические элементы корпуса печи. Это позволяет обойтись без водяного охлаждения корпуса печи. Отсутствие водяного охлаждения является существенным преимуществом данной конструкции печи подогрева литейных форм и всей установки в целом. Во-первых, это снижение энергозатрат, так как вместе с охлаждающей жидкостью выносится тепло от корпуса печи. Во-вторых, подвод магистралей охлаждения в плавильную камеру, где находится печь подогрева форм, создает проблемы с уплотнением и, следовательно, энергозатратам на поддержание вакуума в этой камере. А исключение охлаждения позволит снизить эти дополнительные затраты энергии. Кроме того, присутствие водяного охлаждения в плавильной камере является фактором серьезного риска, так как негерметичность водяной магистрали может привести к попаданию воды в тигель с расплавленным металлом, что приведет к неминуемому взрыву. Поэтому отсутствие охлаждения повышает уровень безопасности. Применение описанной конструкции установки, как показала многолетняя практика, позволило повысить качество ответственных отливок, так как, в отличие от прототипа, герметичный корпус печи полностью исключил подсос холодного воздуха, что приводило к появлению паразитных зерен и браку по макрозерну отливаемых лопаток газотурбинных авиационных двигателей.