ВАКУУМНАЯ ДУГОВАЯ ГАРНИСАЖНАЯ ПЕЧЬ

Полезная модель относится к электрометаллургии, в частности к конструкции вакуумных дуговых гарнисажных печей, и может быть использована для выплавки слитков из тугоплавких высокореакционных металлов и сплавов, преимущественно титановых, применяемых в аэрокосмической технике и судостроении.
При плавке в вакуумных дуговых гарнисажных печах для плавления расходуемого электрода и шихтового материала, уложенного в тигле, в качестве источника нагрева используется электрическая дуга большой мощности. При этом одним из электродов является шихтовой материал, уложенный в тигле, а расходуемым электродом для получения слитков служит сформировавшийся в тигле на предыдущей плавке гарнисаж, закрепленный на электрододержателе печи. Плавка производится в вакуумном пространстве, что необходимо для предотвращения окисления и отведения из расплава газовых примесей. В качестве источника нагрева используется электрическая дуга большой мощности. При этом сила тока, возникающая в дуге, составляет от 70 до 90 кА. Подвод тока к дуге осуществляется через расходуемый электрод, а также к шихтовым материалам через стенки плавильного тигля, установленного на токоведущей раме. Для обеспечения достаточной надежности, безопасности и длительного срока ее эксплуатации конструкция токоведущей рамы тигля должна обеспечивать отведение тепловой энергии, выделяющейся при прохождении тока.
Известна вакуумно-дуговая гарнисажная печь, содержащая вакуумную водоохлаждаемую камеру, электрододержатель, расходуемый электрод-гарнисаж, кристаллизатор, водоохлаждаемый тигель с закладным стержнем и закладной задней стенкой с контрольными термопарами (патент РФ №2194780, публ. 20.12.2002 г.).
Недостатками известной печи являются значительное выделение тепловой энергии проходящего по раме тигля тока, приводящее к критическим повышениям температуры из-за недостаточного отвода тепла в неохлаждаемых участках рамы и, соответственно, вызывающие подплавление проводников и деформацию рамы от потери прочности. Вследствие неравномерности нагрева происходит коробление конструкции рамы, изменяется ее геометрическая форма и возникают нерасчетные напряжения в сварных швах и элементах рамы. Изменение геометрической формы рамы печи, приводит к потере технологической базы, необходимой при ремонте рамы и делает каждый последующий ремонт более трудоемким, вплоть до потери ее ремонтопригодности.
Кроме того, в известном устройстве вода для охлаждения стенок тигля через поворотные цапфы поступает в переднюю часть рамы, в которой вертикальные стойки выполнены в виде коробчатых коллекторов, имеющих фланцы. Из коробчатых коллекторов при помощи патрубков производится разводка воды к стенкам тигля. При этом конструкция рамы тигля выполнена таким образом, что несущими элементами являются коробчатые сварные коллекторы с проточной водой, поэтому разгерметизация данных швов во время плавки может привести к взрывоопасной ситуации или к получению многотонного титанового слитка несоответствующего качества.
Задачи, на решение которой направлена полезная модель, являются повышение надежности и безопасности печи, увеличение сроков эксплуатации, снижение металлоемкости конструкции.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является отсутствие тепловых нагрузок рамы за счет исключения протекания по ее несущим элементам электрического тока большой мощности и, вследствие этого, отсутствие в силовых несущих элементах рамы непредусмотренных термических напряжений, соответственно, повышение ресурса работы устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в вакуумной дуговой гарнисажной печи, содержащей вакуумную водоохлаждаемую камеру, электрододержатель, токоподвод, кристаллизатор, водоохлаждаемый плавильный тигель, установленный на раме с поворотными цапфами, патрубки для подачи и отвода охлаждающей жидкости, согласно полезной модели рама тигля выполнена с силовыми несущими лонжеронами, между которыми уложен токоподвод, выполненный в виде медных водоохлаждаемых труб, к которым прикреплены контактные плиты для соединения с контактными плитами водоохлаждаемого плавильного тигля, поворотные цапфы рамы тигля выполнены водоохлаждаемыми, причем патрубки каналов охлаждения поворотной цапфы предназначены для подачи охлаждающей жидкости в каналы охлаждения токоподвода, а патрубки каналов охлаждения противоположной поворотной цапфы - для ее отвода, при этом каналы охлаждения токоподвода состыкованы через фланцы с патрубками каналов охлаждения стенок плавильного тигля.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 представлена вакуумная дуговая гарнисажная печь в разрезе вдоль оси тигля и вид по А-А. На фиг.2 показан разрез по сечению Б-Б и вид В.
Печь состоит из вакуумной водоохлаждаемой камеры 1, электрододержателя 2, водоохлаждаемого плавильного тигля 3, кристаллизатора 4. Плавильный тигель установлен на поворотную раму 5, имеющую две поворотные цапфы 6 и 7.
В поворотных цапфах устанавливаются медные патрубки 8 для подачи и отвода охлаждающей воды. К патрубкам при помощи фланцевых соединений крепятся токоподводы в виде водоохлаждаемых медных труб 9. К токоподводам прикреплены токоведущие контактные плиты 10, которые соединены с токоведущими контактными плитами тигля 11.
Устройство работает следующим образом.
В плавильный тигель, установленный на поворотную раму, укладывается шихта, на электрододержатель навешивается расходуемый электрод-гарнисаж, изготовленный при предыдущих плавках. В камеру печи помещается кристаллизатор, который соединяется с системой водооборота. Для зажигания дуги между шихтой в тигле и электродом-гарнисажем подается электрический ток через две ветки электрической цепи. Сверху ток к дуге подводится через электрододержатель, а снизу ток к дуге подводится к шихте, через стенки тигля посредством токоподводов в виде медных трубопроводов, в каналах которых циркулирует охлаждающая вода. В поворотных цапфах рамы устанавливаются медные патрубки для подачи и отвода воды. Токоподводы, уложенные между силовыми лонжеронами рамы, крепятся к патрубкам при помощи фланцевых соединений. Токоподводы интегрированы в контур охлаждения плавильного тигля, для чего они имеют фланцы для стыковки патрубков, по которым производится циркуляция воды по каналам тигля. Контактные плиты приварены к токоподводам и связаны с контактными плитами плавильного тигля при помощи болтовых соединений.
Путь электрического тока проходит по элементам, которые охлаждаются протоком воды, подающейся для охлаждения стенок тигля, (см. фиг.3).
Расход воды в контуре обеспечивает достаточное охлаждение стенок тигля и медных токоподводов. Токоподводы рассчитаны для обеспечения прохождения необходимой плотности тока и длительного протекания тока без их критического нагрева. При этом рама тигля не испытывает тепловых нагрузок и выполнена с использованием силовых несущих лонжеронов, воспринимающих только расчетные механические нагрузки с достаточным запасом прочности.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет исключить тепловые нагрузки рамы и повысить ресурс работы.