КОНСТРУКЦИЯ ТИГЕЛЬНОГО УЗЛА ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ГАРНИСАЖНОЙ ПЕЧИ

Полезная модель относится к специальной электрометаллургии, связанной с конструкцией вакуумно-дуговых гарнисажных печей для плавки тугоплавких металлов, например, титана, циркония, ниобия, молибдена, вольфрама и сплавов на их основе и может быть использована на всех предприятиях, производящих детали из тугоплавких металлов
Основными конструктивными элементами всех, без исключения, типов вакуумно-дуговых гарнисажных печей является тигельный узел, состоящий из стального водоохлаждаемого стакана и графитового тигля.
От надежности работы каждого из перечисленных элементов упомянутого узла зависит качество сливаемого металла, экономическая эффективность и безопасное обслуживание вакуумно-дуговой гарнисажной печи. Такая конструкция плавильного узла нашла применение в гарнисажных вакуумно-дуговых печах типа ОКБ-956; ОКБ-935; ОКБ-1007 разработки Всесоюзного научно-исследовательского института электрометаллургического оборудования г.Москва и Нева-2; Нева-4; Нева-4М; Нева-5 разработки Федерального государственного унитарного предприятия «Центрального научно-исследовательского института конструкционных материалов «Прометей» г.Санкт-Петербург. Книга «Литейное производство новых судостроительных сплавов», авторов: Ю.А.Филина, А.С.Исаева, издательство «Судостроение» Ленинград 1971 г., стр.158-161.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является конструкция тигельного узла вакуумно-дуговой гарнисажной печи, состоящая из стального водоохлаждаемого стакана и графитового тигля. При этом внутренняя поверхность водоохлаждаемого стакана и графитовой вставки выполнены конусными с уклоном 4-5° по боковым стенкам для обеспечения совместной плотной посадки. Книга «Производство фасонных отливок из титановых сплавов» под редакцией И.Ф.Аношкина, А.Ф.Белова, С.Г.Глазунова и др., Москва издательство «Металлургия» 1983 г.
Однако в конструкции тигельного узла существующих промышленных вакуумно-индукционных гарнисажных печей имеется следующий конструктивный недостаток, отрицательно влияющий как на их работоспособность, так и на безопасное обслуживание.
По условиям монтажа внутренняя поверхность водоохлаждаемого стакана и наружная поверхность графитового тигля выполнены конусными для обеспечения совместной плотной посадки, что обеспечивает удовлетворительный отвод тепла от наружной поверхности графитовой тигля водоохлаждаемым стаканом на начальной стадии эксплуатации. Однако в процессе эксплуатации водоохлаждаемый стакан претерпевает деформационные поводки за счет многократного воздействия на него графитового тигля с расплавленным металлом в процессе расширении-сужении его при нагревании и охлаждении. Наличие деформационных поводок приводит к появлению зазоров между графитовым тиглем и водоохлаждаемым стаканом, что резко снижает скорость отвода тепла от графитового тигля и приводит к его перегреву в процессе работ, снижению его прочности и появлению в нем трещин. Через эти трещины может просочиться разогретый жидкий металл и привести к прожогу стенки водоохлаждаемого стакана, а это приведет к взрыву паровоздушной смеси при соприкосновении горячего жидкого металла с водой.
Кроме того, образовавшиеся локальные зазоры между графитовым тиглем и водоохлаждаемой рубашкой приводит к возникновению вторичных паразитных дуг в процессе плавки, которые не только рассеивают подводимую мощность, но чаще всего являются основной причиной прожога водоохлаждаемого стакана, что также может привести к взрыву паровоздушной смеси при соприкосновении жидкого металла и воды.
Техническим результатом полезной модели является снижение энергетических затрат за счет устранения вторичных паразитных дуг в процессе плавки, а также повышение взрывобезопасности тигельного узла вакуумно-дуговых гарнисажных печей за счет устранения зазоров между тиглем и водоохлаждаемым стаканом в процессе проведения плавки.
Технический результат полезной модели достигается за счет того, что в конструкции тигельного узла вакуумно-дуговой гарнисажной печи, состоящей из стального водоохлаждаемого стакана и графитового тигля, согласно полезной модели, графитовый тигель изготовлен с наружной рубашкой толщиной 0,15-0,30 мм из карбидообразующего теплопроводящего металла, например, титана или циркония, рубашка жестко связана с наружной поверхностью графитового тигля, при этом водоохлаждаемый стакан и графитовый тигель выполнены цилиндрическими и установлены соосно с зазором, равным (0,01-0,02)Д+(0,5-0,42)Д·α, где Д - диаметр тигля, α - коэффициент линейного расширения графита при температуре плавления металла, а в зазор установлена демпфирующая теплопроводящая вставка из графитового порошка с пористостью не более 4%.
Конструкция плавильного тигля вакуумно-дуговой гарнисажной печи представлена на фигуре и содержит:
1. Цилиндрический водоохлаждаемый стакан;
2. Цилиндрический графитовый тигель;
3. Металлическую рубашку;
4. Демпфирующую теплопроводящую вставку.
Тигельный узел вакуумно-дуговой гарнисажной печи работает следующим образом:
При проведении плавки цилиндрический графитовый тигель нагревается таким образом, что на его внутренней поверхности температура достигает температуры плавления металла, а на наружной поверхности температура на 400-500°С меньше, чем на внутренней поверхности тигля, за счет отвода тепла водоохлаждаемым стаканом. При такой температуре происходит не только увеличение диаметра графитового тигля, но и благодаря перепаду температуры между наружными и внутренними поверхностями имеет место искажение геометрических размеров тигля. В новой конструкции все эти изменения воспринимает на себя демпфирующая теплопередающая вставка, которая уплотняясь, не допускает образования пустот, и сохраняет свою теплопроводность, тем самым предотвращает образование вторичных паразитных дуг в процессе плавки.
При изготовлении графитового тигля на его поверхности имеются неровности, шероховатости и раковины, которые также могут служить причиной резкого снижения скорости отвода тепла от графитового тигля, и появления вторичных паразитных дуг. Для устранения этих причин на наружную поверхность графитового тигля наносится любым способом, например, напылением металлическая рубашка из карбидообразующего и теплопроводящего металла, например, титана или циркония, сглаживающая все поверхностные дефекты, способствующая хорошему отводу тепла от графитового тигля и повышающая его эксплуатационную прочность.
Технический эффект от использования полезной модели по сравнению с прототипом выразится в повышении экономичности процесса за счет устранения рассеивания подводимой мощности при образовании вторичных паразитных дуг, а также в повышении безопасной работы вакуумно-дуговых гарнисажных печей за счет устранения взрывоопасной ситуации.