ИНДУКЦИОННАЯ ТИГЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ

Полезная модель относится к области металлургии, более конкретно, к конструкции вакуумных и вакуумно-компрессионных индукционных печей с холодным тиглем для производства высококачественных легированных сталей и сплавов специальных марок, используемых, в частности, при изготовлении оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, лезвийного хирургического инструмента и др.
Известно устройство для передела рудного сырья, содержащее вакуумную индукционную печь с футерованным тиглем, многовитковый индуктор, источник питания, средства для вакуумирования печи, загрузки исходного сырья и выгрузки готового продукта (см. патент РФ №2215050, МПК С22В 26/22, опублик. 27.10.2003).
Известное устройство предназначено для производства магния и других ценных металлов или металлоидов из доломитового сырья. Особенностью вакуумной индукционной печи в известном устройстве является наличие футерованного тигля конической формы с плоским днищем, установленным с возможностью перемещения относительно направляющих стоек блока приема рудных остатков и герметично сочлененным с корпусом вакуумной индукционной печи с помощью жидкометаллического затвора, и конденсатор, установленный над корпусом вакуумной индукционной печи с возможностью перемещения и поворота относительно корпуса вакуумной индукционной печи и герметичной вспомогательной емкости, снабженной изложницей и внешним нагревателем, и герметично сочлененный с ними с помощью жидкометаллических затворов, причем все жидкометаллические затворы содержат среду с температурой плавления 90-130°С.
В известном устройстве предварительно приготовленные брикеты рудного доломитового сырья, содержащие железо и кремний, загружают послойно с фрагментами из магнитопроводящих металлов через загрузочный бункер в вакуумную индукционную печь. Затем осуществляют герметизацию и вакуумирование печи при остаточных давлениях от 0,1 до 1,0 мм рт.ст. и проводят индукционный нагрев рудного сырья до температуры 1300-1450°С для силикотермического восстановления и конденсации магния. После завершения восстановления конденсат легкоплавкого продукта расплавляют во вспомогательной емкости с помощью дополнительного индуктора с получением в изложнице литой заготовки, а рудный остаток извлекают из печи при перемещении плоского днища тигля.
К тиглю вакуумной индукционной печи в известном устройстве предъявляются высокие требования. Футеровка тигля должна выдерживать большие температурные напряжения, гидростатическое давление расплава и значительные механические нагрузки от вибрации индуктора, при загрузке и осаживании шихты. Указанные обстоятельства ограничивают стойкость тигля и продолжительность эксплуатации вакуумной индукционной печи. Кроме того, материал футеровки тигля при высоких температурах может химически взаимодействовать с расплавленным металлом. Это затрудняет получение весьма чистых металлов и сплавов заданного состава и стабильность их свойств, что сказывается на качестве получаемых изделий.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является индукционная тигельная печь, содержащая неподвижный охлаждаемый металлический тигель, многовитковый индуктор, источник питания, средства для вакуумирования печи, загрузки исходного сырья и выгрузки готового продукта (см. Установки индукционного нагрева: Учебное пособие для вузов/ А.Е.Слухоцкий, В.С.Немков, Н.А.Павлов и др.; Под ред. А.Е.Слухоцкого. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981, с.241 - прототип).
Особенностью известной вакуумной индукционной тигельной печи является наличие разрезного цилиндрического тигля, выполненного из отдельных вертикально расположенных водоохлаждаемых металлических секций (так называемый «холодный» тигель). Это обеспечивает повышение эффективности печи за счет уменьшения экранирования поля индуктора от загрузки при заданных конфигурации стенок тигля и рабочей частоте источника питания. В нижней части такой тигельной печи размещено подвижное водоохлаждаемое основание для вытягивания кристаллизующейся части слитка. Внутреняя поверхность секций тигля может иметь изоляционное покрытие из тугоплавкого окисла, а зазоры между секциями могут быть заполнены высокотемпературным изоляционным материалом.
Несмотря на значительные энергозатраты, известная вакуумная индукционная печь с металлическим водоохлаждаемым тиглем обеспечивает сравнительно высокую чистоту получаемых металлов, сплавов и окисных материалов. При этом низкая температура рабочей поверхности охлаждаемого тигля способствует образованию на его стенках слоя гарнисажа толщиной в доли миллиметра, который отделяет расплав от стенок тигля, предотвращает химическое взаимодействие между ними и обеспечивает сравнительно высокий ресурс печи.
К недостаткам известного устройства следует отнести прежде всего сложность используемого оборудования для вакуумирования рабочего объема тигельной печи, поскольку тигель и необходимые узлы такой печи обычно размещают внутри герметичной емкости, имеющей значительные размеры и массу (см. там же стр.239). Обслуживание тигельных печей внутри замкнутого объема герметичной емкости ограничивает проведение подготовительных операций, массу загрузки сырья и общее время цикла плавки, снижая в целом эффективность и ресурс известного устройства. Кроме того в известной индукционной печи отсутствуют приспособления, позволяющие без нарушения вакуума производить необходимые технологические операции, а также средства для введения в определенном порядке непосредственно в расплав легирующих и присадочных материалов, улучшающих качество отливок.
Решаемой задачей полезной модели является создание высокорентабельной промышленной индукционной тигельной печи для производства особо чистых легированных сталей и сплавов, используемых, в том числе, при изготовлении оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, лезвийного хирургического инструмента и др.
Достигаемый технический результат заключается в повышении качества выплавляемых сталей и сплавов, увеличении удельной производительности в том числе, за счет изменения технологической схемы функционирования вакуумной индукционной печи, обеспечивающей сокращение времени технологического цикла производства при одновременном повышении надежности оборудования и снижении трудовых затрат.
Решение поставленной задачи и указанный технический результат достигаются следующим образом. В индукционной тигельной печи, содержащей неподвижный охлаждаемый металлический тигель, многовитковый индуктор, источник питания, средства для вакуумирования печи, загрузки исходного сырья и выгрузки готового продукта, согласно полезной модели, тигель снабжен съемной охлаждаемой металлической крышкой, оборудованной средствами для вакуумирования рабочего объема и баллистического ввода реагентов в толщу расплава, внутренняя часть охлаждаемого тигля выполнена в виде усеченного конуса, снабженного фланцем с жидкометаллическим затвором для соединения со съемной крышкой, причем по оси днища тигля установлен шток для выталкивания слитка, вокруг тигля друг над другом размещены первый основной и второй вспомогательный индукторы, над которыми расположен третий индуктор для нагрева указанного фланца, а снаружи тигельной печи установлены механизмы для перемещения крышки, слитка и загрузочного бункера.
Кроме того, металлический тигель может быть выполнен сварным из коаксиальных обечаек, разрезным из вертикальных секций или спиральным из труб трапециидального сечения, причем раздельные контуры теплоносителя, охлаждающего тигель, фланец и индукторы могут быть соединены с теплообменными контурами общего теплообменника для утилизации выделяемого тепла, а жидкометаллический затвор на верхней поверхности фланца может включать кольцевой паз, заполненный легкоплавким сплавом.
Кроме того, тигельная печь может быть размещена в защитном бетонном боксе, а средства для охлаждения, вакуумирования, загрузки исходного сырья и выгрузки готового продукта могут быть выполнены с возможностью дистанционного управления.
Такое выполнение полезной модели, по сравнению с известными техническими решениями позволяет повысить удельную производительность при производстве промышленных количеств особо чистых легированных сталей и сплавов, преимущественно, за счет увеличения эффективности функционирования рабочего объема индукционной тигельной печи, сокращения времени технологического цикла производства при одновременном повышении надежности оборудования и снижении трудовых затрат. Предложенное техническое решение обеспечивает создание высокорентабельной промышленной индукционной тигельной печи для выплавки квалифицированных сталей и сплавов, используемых, в том числе, при изготовлении оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, лезвийного хирургического инструмента и др.
На фиг.1 представлена принципиальная схема индукционной тигельной печи для производства высококачественных легированных сталей и сплавов специальных марок.
Индукционная тигельная печь содержит неподвижный охлаждаемый металлический тигель 1, снабженный съемной охлаждаемой металлической крышкой 2 с механизмом 3 для баллистического ввода реагентов в толщу расплава 4. Внутренняя часть охлаждаемого тигля 1 выполнена в виде усеченного конуса, снабженного фланцем 5 с жидкометаллическим затвором для соединения со съемной крышкой 2. По оси днища 6 тигля 1 установлен шток 7 с механизмом для выталкивания твердого слитка с последующей транспортировкой его на переработку. Вокруг тигля 1 друг над другом размещены первый основной и второй вспомогательный индукторы 8, 9, над которыми расположен третий индуктор 10 для нагрева фланца 5. Снаружи тигля 1 индукционной печи установлены механизм 11 для перемещения крышки и механизм 12 для перемещения слитка и загрузочного бункера 13.
На фиг.1 металлический тигель 1 выполнен сварным из коаксиальных обечаек из листов сплава на основе меди, имеющим, по крайней мере, один вертикальный разрез (не показан) для уменьшения экранирования поля индукторов 8 и 9. В других вариантах реализации тигель 1 может быть выполнен разрезным из нескольких вертикальных секций или спиральным из труб трапециидального сечения, которые могут служить витками индукторов 8 и 9. Раздельные контуры (не показаны) теплоносителя охлаждающего тигель 1, фланец 5 и индукторы 8, 9, 10 соединены с теплообменными контурами общего теплообменника 14 для утилизации выделяемого тигельной печью и индукторами тепла с получением электроэнергии, например, в паротурбинной установке (не показана). Жидкометаллический затвор на верхней поверхности фланца 5 содержит кольцевой паз, заполненный легкоплавким сплавом с температурой плавления в диапазоне 90-130°С. Тигель 1, индукторы 8, 9, 10, механизмы 3, 7, 11, 12, загрузочный бункер 13 и теплообменник 14 размещены в защитном бетонном боксе 15, снабженном съемным перекрытием 16 и шлюзами 17 для осуществления загрузки бункера 13 шихтой из накопителя 18, а также для транспортировки слитка к участку 19 переработки слитка в готовую продукцию, например, в виде листовой стали для изготовления хирургических инструментов, трубок ТВЭЛ и др.
Тигельная печь содержит систему 20 вакуумирования рабочего объема тигля 1 до давлений порядка 0, 01 атм и систему 21 для его заполнения нейтральным газом до избыточного давления порядка 3-5 атм при проведении некоторых режимов баротермической плавки. При этом вакуумирование и заполнение рабочего объема тигля 1 нейтральным газом осуществляется через трубопроводы, соединенные через полости в механизме 11 с каналами в крышке 2 печи. Механизмы 3, 7, 11, 12 имеют дистанционно управляемый электромеханический привод от пульта управления 22. Контуры охлаждения тигля 1, днища 6, фланца 5 и индукторов 8, 9, 10 снабжены дистанционно управляемыми с пульта 22 насосами и необходимым запорно-регулирующим оборудованием (не показаны). В качестве теплоносителя используется химочищенная вода или один из видов органических жидкостей. Для источника питания 23 индукторов 8, 9, 10 тигельной печи используются независимые тиристорные или машинные генераторы мощностью в десятки и сотни кВА с рабочей частотой в сотни и тысячи Гц (не показаны) в зависимости от вида шихты, объема загрузки тигля и других параметров тигельной печи.
Индукционная тигельная печь функционирует следующим образом.
Предварительно из исходного сырья готовят шихту, в виде гранул или компактов заданного фракционного и химического состава с расчетным количеством легирующих и корректирующих добавок. Подготовленную шихту из накопителя 18 через шлюзы 17 в необходимом количестве подают в загрузочный бункер 13. С помощью механизма 12 с несколькими степенями свободы бункер 13 подводят к открытому тиглю 1 для его заполнения до необходимого уровня (предварительно крышка 2 тигля 1 отводится механизмом 11 в сторону). После этого бункер 13 возвращают в исходное состояние, а крышку 2 устанавливают в рабочее положение до заглубления ее кромки в кольцевой паз во фланце 5, заполненный расплавленным с помощью индуктора 10 сплавом Pb-Bi с температурой плавления 130°С. После отключения индуктора 10 и охлаждения водой фланца 5 сплав застывает, образуя герметичный затвор между съемной крышкой 2 и тиглем 1. Затем осуществляют предварительную продувку рабочего объема печи нейтральным газом из системы 21 с последующим вакуумированием с помощью системы 20 до давления около 0,01 атм. Одновременно включают систему подачи воды на охлаждение тигля 1 и индукторов 8, 9, после чего подключают основной и вспомогательный индукторы 8, 9 к источнику питания 23 и обеспечивают расплавление шихты.
По окончании режима плавки отключают основной индуктор 8, что вызывает охлаждение расплава 4 в тигле 1 и его постепенное затвердевание. Индукционный нагрев и поддержание в течении некоторого времени прибыльной части слитка в жидком состоянии позволяет дополнительно улучшить микроструктуру материала прибыли слитка, а также снизить потери металла. При достижении температуры слитка около 1300°С рабочий объем тигля 1 заполняют из системы 21 инертным газом до атмосферного давления и с помощью индуктора 10 нагревают фланец 5 до расплавления сплава Pb-Bi. Затем с помощью механизма 11 отводят крышку 2 в сторону и выталкивают слиток из тигля штоком 7 вверх до захвата вилкой поворотного механизма 12 для дальнейшего перемещения через шлюз в защитном бетонном боксе 15 к участку 19 с целью переработки слитка в готовую продукцию, например, в виде высококачественной листовой стали с последующим изготовлением из нее товарной продукции. После завершения описанного цикла, осмотра и профилактических работ на указанном оборудовании осуществляют новый цикл плавки сырья, при этом средства для охлаждения, вакуумирования, загрузки исходного сырья и выгрузки готового продукта выполнены с возможностью дистанционного управления.
Предложенная индукционная печь с охлаждаемым тиглем допускает применение как вакуумного, так и баротермического переплава компактов, например, из заранее подготовленной смеси металлических порошков жаропрочных сплавов. Для обеспечения минимального содержания неконтролируемых микропримесей в рядовой стали нижний температурный предел для предложенной индукционной печи отвечает перегреву ванны расплава до 1700-1750°С, а для тугоплавких, например, титановых сплавов до 2000°С. Сталь при данной температуре выдерживают в тигле 1 в течение 10-60 мин (термо-временная обработка), после чего температуру расплава снижают до 1600°С и порционно-последовательно с помощью механизма 3 вводят в расплав 4 множество компактов в виде шариков магния массой от 10 г в количестве до 0,1% от массы загрузки. Баллистический ввод реагентов со скоростью 300-800 м/сек позволяет инжектировать их в среднюю и донную часть расплава, что обеспечивает эффективное взаимодействие магния с вредными примесями в о всем объеме расплава. В расплав кроме металлического магния можно вводить другие реагенты в виде добавок с высокой упругостью пара.
Предложенная индукционная тигельная печь допускает безопасное и эффективное применение баллистического ввода добавок (Mg, Na и др.) в толщу расплава на глубину до 0,5-1,0 м. Это определяет возможность радикального снижения содержания серы в финишном металле (ниже 0,001%) и восстановление магнием многих вредных соединений и микропримесей. Наблюдается также заметное изменение количества и морфологии неметаллических включений, которые приобретают наименее опасную для сохранения структуры металла форму глобулей. Возможность введения возгоняющихся добавок (натрий, гидриды и пр.) открывает перспективы производства пористых тугоплавких композиций нового поколения. Проведенные авторами в разное время исследования позволили установить оптимальный температурный режим плавки в вакуумной индукционной печи с холодным тиглем некоторых видов сырья и оптимальную по времени изотермическую выдержку расплава. Важным фактором повышения качества получаемых металлов и сплавов является также поддержание заданной скорости затвердевания жидкой ванны расплава за счет самопроизвольного отвода тепла в вохлаждаемый тигель, обеспечивая постоянный градиент температур и образование гарнисажа при кристаллизации расплава. При переплаве осуществляются дегазация металла, термолиз неметаллических включений и сублимация компонентов с высокой упругостью пара.
В результате получаемый в предложенной индукционной печи металл имеет повышенные физико-механические и эксплуатационные свойства, например легированные стали и сплавы в составе изделий имеют повышенный коррозионный ресурс и не требуют использования дополнительных покрытий. Это позволяет освоить производство принципиально нового класса изделий из тугоплавких сплавов на основе титана, циркония и др. для агрегатов специальной техники. Принятые параметры термической обработки в предложенной индукционной тмигельной печи обеспечивают оптимизацию структуры ближнего порядка расплава (см. Вертман А.А., Самарин A.M. «Свойства расплавов железа», М., изд. АН СССР), что предопределяет получение материалов с заранее заданными свойствами.
Проведенный авторами анализ свидетельствует о значительном прогрессе в области электрометаллургии легированных сталей при освоении вакуумных индукционных печей с холодным тиглем (ИПХТ). Они были разработаны в середине прошлого века для передела урана и радиоактивных материалов и могут быть использованы также для выплавки особо квалифицированных сталей и сплавов. Отсутствие футеровки в предложенной ИПХТ полностью исключает загрязнение расплава наиболее опасными крупными экзогенными включениями и изменение состава металла за счет его взаимодействия с огнеупорами, а также исключает ручной труд и снижает текущие затраты. Возможность экстремального перегрева, в том числе, и тугоплавких металлов является другим важным преимуществом предложенной ИПХТ, которое не может быть реализовано в печах другой конструкции. Ведение процесса в вакууме или при повышенном давлении нейтральных газов до 5 атм и возможность оперативного перехода от вакуумной плавки к бароплавке открывают новые возможности управления качеством получаемого металла, а регулируемое охлаждение отливки для исключения образования усадочной раковины дополнительно повышает выход годного металла и улучшает микроструктуру прибыльной части слитка.
Масса слитка выплавляемого в предложенной ИПХТ, ограничена и даже в перспективе, вероятно, не превысит 1-2 т, в связи с чем наибольший интерес имеют технологии производства эксклюзивных изделий типа трубок для ТВЭЛ, постоянных магнитов, лезвийных изделий, тонкой проволоки для металлотканей фильтров и пр. Для примера следует указать, что стойкость рядовой стали Х18Н9Т в агрессивных средах после переработки в предложенной ИПХТ возрастает в 3-5 раз без дополнительного легирования, что объясняется микрогетерогенной структурой расплава вблизи температуры плавления. Отмечено заметное повышение свойств прецизионных сплавов, в том числе, повышение ресурса ценного хирургического инструмента.
Применение предложенной ИПХТ позволяет изготавливать класс тугоплавких сплавов и соединений нового поколения, свойства которых заслуживают детального изучения. В существующих ИПХТ наблюдается экстремально высокий расход электроэнергии (до 3000 кВтч/т или до 2,6 Гкал), причем до 80% (~2,0 Гкал/т) подводимой энергии ныне безвозвратно теряется, т.к. теплосодержание воды для охлаждения тигля и индуктора не утилизируется. Потребительская ценность низкопотенциального теплоносителя достигает 40-50 $/Гкал и непрерывно возрастает, поэтому энергозатраты в предложенной ИПХТ могут быть снижены примерно на 30%, а при переходе на использование органического теплоносителя с повышенной температурой кипения на 40-50%, что дополнительно определяет высокую доходность производства.
Особенности конструкции предложенной ИПХТ определяют перспективу создания специализированных участков или миникомплексов с объемом холодного тигля от единиц до сотен литров с годовым выпуском порядка 1000-2000 т ценной продукции. С учетом изложенного можно отметить, что создание микрокомплекса по производству 1000 т/год указанной трубной продукции (~3,0 т/сутки или до 1,0 т/смена) является весьма доходным предприятием, не требующим крупных капвложений, которое может быть сооружено в сравнительно краткие сроки.