ИНДУКЦИОННАЯ ВАКУУМНАЯ ПЕЧЬ
INDUCTION VACUUM FURNACE

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкциям индукционных вакуумных печей для плавки металлов и сплавов.
Известна вакуумная индукционная печь, представляющая собой герметичную камеру, образованную корпусом, верхней и нижней крышками. Внутри корпуса установлен индуктор, охватывающий металлический секционированный тигель. На нижней крышке смонтированы с возможностью жесткого присоединения к холодному тиглю наружная и внутренняя секции охлаждаемого поддона. Внутренняя секция имеет возможность вертикального перемещения посредством привода. Охлаждаемые секции образуют в начальный момент плавки поддон, предназначенный для удержания расплава на опоре. На верхней крышке установлены технологические устройства для ведения и контроля плавки.
В процессе работы печи перед началом плавки при снятой верхней крышке в тигель укладывают предназначенную для плавки шихту, крышку устанавливают и крепят на корпусе, герметизируют камеру, подают требуемую защитную среду и включают на нагрев индуктор для получения расплава. Полученный расплав рафинируют и с помощью привода опускают при включенном индукторе внутреннюю секцию с требуемой по условиям кристаллизации слитка скоростью вниз. При этом полость формообразования слитка образуется внутренней поверхностью секции и верхним торцом секции, где и проводят процесс кристаллизации слитка. После перехода расплава в формообразователь слиток окончательно охлаждают, верхнюю крышку снимают, а полученный слиток подают в верхнее крайнее положение и извлекают его. При необходимости перехода на выплавку слитка другого профиля нижняя крышка заменяется на сменную с требуемыми наружными и внутренними секциями поддона (см. патент РФ №2031343, кл. F27D 11/06, 1995 г.).
В результате анализа выполнения данной печи необходимо отметить, что для нее характерны относительно большие габариты и металлоемкость изготовления электропечи, а также тяжелые условия работы индуктора, находящегося в вакуумной камере, что снижает производительность работы печи и требует надежной вакуумной изоляции индуктора и защиты этой изоляции от агрессивной атмосферы.
Известна индукционная вакуумная электропечь, состоящая из тигля, охватывающего тигель индуктора, верхней крышки, установленной на верхнем торце индуктора, и поддона в нижней части тигля.
Тигель состоит из охлаждаемых секций (преимущественно медных), электрически изолированных друг от друга прокладками и герметично заделанных неэлектропроводный цилиндр, выполненный, например, из стеклопластиковой композиции.
Наружная стенка цилиндра обработана под кольцевое вакуумное уплотнение. В нижней части тигля герметично установлен металлический охлаждаемый поддон, предназначенный для удержания расплава.
Индуктор герметично заделан в цилиндр, на верхнем торце которого имеется фланец для герметичной установки на нем верхней крышки на прокладках. В нижней части индуктора во внутренней его стенке установлено кольцевое вакуумное уплотнение, представляющее собой, например, манжетное или сальниковое устройство.
Верхняя крышка представляет собой герметичную камеру, на которой установлены технологические устройства для ведения плавки, такие как дозатор, термопары, патрубки для откачки и пр.
Для осуществления плавки в тигель загружают шихтовые материалы, затем тигель подают под индуктор посредством механизма вертикального перемещения.
После проверки герметичности и правильности сборки печи тигель перемещают в верхнее крайнее положение, включают на откачку вакуумную систему для откачки вакуумной камеры и начинают плавку включением энергопитания индуктора. По мере расплавления шихты тигель перемещают по вертикали механизмом в соответствии с технологией плавки. После введения присадок, дополнительных порций шихты, полученный расплав рафинируют и, при отключенном электропитании индуктора, проводят кристаллизацию слитка. Далее печь разгерметизируют путем напуска в полость верхней крышки воздуха, а тигель механизмом выводят из рабочего пространства индуктора для завершения процесса кристаллизации и удаления тигля со слитком (см. патент РФ №1098369, F27B 14/04, 1995 г. - наиболее близкий аналог).
В результате анализа конструкции известной печи необходимо отметить, что она недостаточно производительна, что обусловлено длительностью откачки воздушной среды из печи для достижения заданного вакуума в камере, и не позволяет получить отливки высокого качества в связи с недостаточно надежной герметизацией вакуумной камеры.
Техническим результатом настоящего изобретения повышение производительности печи и качества выплавляемого металла.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что индукционная вакуумная печь для плавки металлов и сплавов, содержащая вакуумную камеру с индуктором, охватывающим вакуумную камеру, тигель для шихты, установленный соосно вакуумной камере, и систему вакуумирования камеры, состоящую из диффузионного и форвакуумного насосов, связанных гибкими шлангами, оснащена вертикально ориентированной рамой, на верхней части которой установлена вакуумная камера с индуктором, платформой, установленной на раме с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения посредством привода, обечайкой с уплотнительными элементами, установочным кольцом, при этом на платформе соосно вакуумной камере установлены герметично состыкованные друг с другом посредством вакуумного затвора диффузионный насос с впускным патрубком и обечайка, на верхней части которой закреплены установочное кольцо и тигель, причем обечайка выполнена с возможностью образования герметичного соединения с вакуумной камерой посредством кольца с уплотнительными элементами, а тигель - с возможностью размещения в средней части индуктора посредством установочного кольца, а корпус вакуумной камеры выполнен из плавленого кварца.
В конструкции печи диффузионный насос установлен соосно с корпусом вакуумной камеры, что позволяет использовать диффузионный насос с диаметром впускного фланца, сопоставимым с диаметром вакуумной камеры. Это обеспечивает быстрое достижение заданного вакуума и дегазацию расплава, что соответственно позволяет повысить производительность процесса выплавки и качество металла.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:
- на фиг.1 - индукционная вакуумная печь (тигель в нижнем положении);
- на фиг.2 - индукционная вакуумная печь (тигель в верхнем положении).
Индукционная вакуумная печь содержит вертикально ориентированную раму 1, на верхней части которой смонтирован корпус 2 вакуумной камеры, охватываемый индуктором 3. Корпус вакуумной камеры установлен на кольце 4, закрепленном на раме 1, а сверху закрыт крышкой 5. Кольцо 4 и крышка 5 скомпонованы с корпусом посредством стяжек 6. Снизу кольца 4 имеются уплотнительные элементы (не показаны).
На раме 1 имеются вертикальные направляющие (не показаны), на которых с возможностью возвратно-поступательного перемещения посредством привода установлена платформа 7. Привод 8 перемещения платформы может быть выполнен различным известным образом, например гидравлическим или пневматическим.
На платформе 7 соосно вакуумной камере и друг другу установлены тигель 9, установочное кольцо 10, герметично состыкованные друг с другом обечайка 11, имеющая уплотнительные элементы (не показаны), вакуумный затвор 12, диффузионный насос 13, который связан гибкими шлангами с форвакуумным насосом 14. Насосы 13 и 14 входят в систему вакуумирования камеры.
Корпус 2 выполнен из неэлектропроводного материала, в частности из плавленого кварца. Установочное кольцо 10 предназначено для размещения тигля 9 в средней части индуктора 3.
Конструкция агрегатов печи является известной, она не составляет предмета патентной охраны и поэтому в настоящей заявке не раскрыта.
Индукционная вакуумная печь работает следующим образом.
В исходном (нижнем) положении тигель 9 загружают шихтовым материалом, затем включают привод 8, перемещающий платформу 7 вверх до тех пор, пока тигель 9 не окажется в корпусе 2 вакуумной камеры. В данном положении тигля уплотнительные элементы кольца 4 и обечайки 11 контактируют друг с другом, образуя герметичное соединение. Включают насосы 13 и 14 и производят вакуумирование полости камеры. Закрывают вакуумный затвор 12. Включают питание индуктора 3, начиная процесс плавки шихтового материала. При ведении процесса плавки периодически контролируют давление в вакуумной камере и, в случае наличия в ней газообразных компонентов, открывают вакуумный затвор 12 и производят их откачку из камеры, после чего затвор закрывают.
После получения расплава известным образом уравнивают давление в вакуумной камере с атмосферным. Включают привод 8 в обратном направлении и опускают тигель 9 с расплавом в нижнее положение. Извлекают тигель и, например посредством манипулятора, разливают расплав по изложницам.
Возможен разлив расплава через верх с использованием сифона посредством нагнетания инертного газа в вакуумную камеру и создания избыточного давления в ней.
3
Экономический эффект от использования заявленного изобретения может быть посчитан из затрат по времени на откачку воздуха из печи. Технические характеристики диффузионного насоса ограничены диаметром трубопровода и его протяженностью, так, диаметр труб 80-100 мм, а диаметр впускного фланца насоса 280-300 мм. Сопоставление их площадей  раза, так, для достижения содержания водорода в алюминиевом сплаве с 7% церия, равного 1,2 см на 100 г расплава, при откачке через трубопровод необходимо 30 минут, а через диффузионный насос, совмещенный с вакуумной камерой, - 4 минуты.