ПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ
MELTING FURNACE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к плавильной печи индукционного нагревательного типа. В частности, настоящее изобретение относится к плавильной печи, выполненной с возможностью быстрого снижения температуры в тигле после плавления и нагрева.
Приоритет испрашивается в Японской патентной заявке № 2008-248086, поданной 26 сентября 2008 г, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.
Предпосылки к созданию изобретения
Тигель, выполненный из тугоплавкого металла, используют для плавления кусков сырья редкоземельного металла для того, чтобы выплавить из них слитки или для плавления и рафинирования оксидного сырья с редкоземельными материалами с использованием теплового восстановления с кальцием. Эти процессы осуществляются в вакуумной плавильной печи. В частности, эти процессы осуществляют путем помещения сначала тигля, содержащего сырье, в вакуумную печь. Затем из вакуумной печи удаляют воздух и вакуумную печь заполняют вместо него инертным газом (например, аргоном и подобным). Для плавления используют индукционный нагрев (см., например, Патентный документ 1).
В плавильной печи с индукционным нагревом соответствующего типа при плавлении материала в плавильной печи необходима очистка тигля. Однако в связи с тем, что температура внутри тигля после плавления и нагрева чрезвычайно высока, работы по техническому обслуживанию нельзя начать до тех пор, пока температура не снизится в достаточной степени для того, чтобы допустить выполнение технического обслуживания. Это накладывает жесткие ограничения на рабочий цикл.
Ранее охлаждение тигля после плавления и нагрева базировалось на теплопроводности, создаваемой потоком охлаждающей воды внутри катушки, которая используется для индукционного нагрева, или на излучении поверхности тигля. Поскольку охлаждение, полученное за счет теплопроводности, происходит через изолирующий материал, оно является чрезвычайно слабым и в действительности почти все охлаждение происходит за счет излучения. При охлаждении, обеспечиваемом, таким образом, за счет излучения, требуется значительное время для достаточного охлаждения тигля, что препятствует любым попыткам улучшить рабочий цикл.
Документы предшествующего уровня техники
Патентные документы
[Патентный документ 1] Первая публикация японской не рассмотренной патентной заявки № Н08-252650
Раскрытие изобретения
Проблемы, которые должны быть решены с помощью изобретения
Настоящее изобретение было создано исходя из описанной выше предшествующей ситуации, и его целью является создание плавильной печи, допускающей эффективное охлаждение тигля после плавления и нагрева, что допускает улучшение рабочего цикла.
Средство решения проблемы
Плавильная печь согласно варианту реализации настоящего изобретения включает в себя герметичный контейнер, содержащий атмосферу инертного газа; тигель, который помещается внутри герметичного контейнера и служит для осуществления плавления сырья путем индукционного нагрева; и механизм охлаждения тигля, причем механизм охлаждения тигля включает в себя трубчатую часть, которая включает в себя вход, который сообщается с герметичным контейнером и который позволяет выпускать инертный газ из герметичного контейнера, и выход, который позволяет подавать инертный газ в герметичный контейнер; теплообменную часть, которая помещается на части пути вдоль трубчатой части; и участок транспортировки газа, который помещается на части пути вдоль трубчатой части.
Участок транспортировки газа механизма охлаждения тигля может помещаться выше или ниже по потоку теплообменной части.
Внутренний диаметр выхода может быть меньше внутреннего диаметра приемного устройства.
Выход может обеспечивать продувку инертного газа при большем расходе, чем вход.
Тигель может качаться вокруг оси поворота так, чтобы переключаться между положением плавления и положением литья.
Тигель может включать в себя внутреннюю донную поверхность и носок, через который выливают расплавленное сырье.
Выход может помещаться обращенным к внутренней донной поверхности тигля в то время, когда тигель находится в положении литья, а вход может помещаться ближе к нижней стороне поверхности герметичного контейнера, чем носок тигля в то время, когда тигель находится в положении литья.
В то время, когда тигель находится в положении литья и носок обращен к стороне внутренней нижней поверхности герметичного контейнера, вход может помещаться ниже носка тигля.
Вход может помещаться ниже носка тигля в направлении, в котором выливают расплавленное сырье.
Выход может помещаться таким образом, что инертный газ, выпущенный из выхода, вдувается на участке в пределах 40% диаметра от центра внутренней донной поверхности тигля.
Теплообменная часть и участок транспортировки газа механизма охлаждения тигля могут располагаться между приемным устройством и выходом трубчатой части.
Теплообменная часть может содержать теплообменник, а участок транспортировки газа может иметь вентилятор.
Эффект изобретения
Плавильная печь согласно настоящему изобретению имеет механизм охлаждения тигля, который включает в себя трубчатую часть, которая включает в себя вход, сообщающийся с герметичным контейнером, содержащим атмосферу инертного газа, и позволяет выпускать инертный газ из герметичного контейнера, и выход, который позволяет вводить инертный газ в герметичный контейнер, теплообменную часть, которая помещается на части пути вдоль трубчатой части, и участок транспортировки газа, который помещается на части пути вдоль трубчатой части и помещается выше или ниже по потоку теплообменной части. Соответственно, теплообмен (а именно охлаждение) возможен с большей скоростью, чем прежнее охлаждение, которое использует теплообмен через инертный газ (т.е. при котором внутренняя часть герметичного контейнера находится, по существу, в стационарном состоянии), причем достигается уменьшение времени охлаждения. В результате существует возможность получения плавильной печи, в которой обеспечивается способность эффективного охлаждения тигля и, в результате, улучшение рабочего цикла.
Краткое описание чертежа
На фиг.1 показан вид сбоку, демонстрирующий типичную форму примера внутренней конструкции плавильной печи согласно настоящему изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения
Далее будет описан вариант реализации плавильной печи согласно настоящему изобретению со ссылкой на чертеж.
На фиг.1 показан вид сбоку, демонстрирующий типичную форму примера внутренней конструкции плавильной печи согласно варианту реализации настоящего изобретения.
Плавильная печь 1 согласно настоящему изобретению содержит по меньшей мере герметичный контейнер 2, содержащий атмосферу инертного газа (например, газообразного аргона или газообразного азота), и корпус плавильной печи 3, помещенный внутри герметичного контейнера 2 и использующийся для плавления сырья.
Корпус плавильной печи 3 имеет тигель 4 и индукционную катушку 5. А именно плавильная печь 1 является плавильной печью с индукционным нагревом. Тигель 4 содержит внутреннюю донную поверхность 4а и носок 4b. Индукционная катушка 5 нагревает тигель 4 до нужной температуры (например, температуры плавления сырья, которое должно быть расплавлено), и сырье, помещенное внутри тигля 4, плавится так, чтобы получить расплавленный материал.
Плавильная печь 1 согласно настоящему варианту реализации имеет механизм охлаждения тигля 10, который охлаждает тигель 4 до нужной температуры (например, температуры, при которой может выполняться техническое обслуживание). Этот механизм охлаждения тигля 10 содержит трубчатую часть 13, которая имеет вход 11 и выход 12, теплообменную часть 14 и участок транспортировки газа 15. Здесь и вход 11, и выход 12 сообщаются с герметичным контейнером 2, и вход 11 используется для выпуска инертного газа (вытекания) из внутренней полости герметичного контейнера 2. Выход 12 используется для подачи инертного газа во внутреннюю полость герметичного контейнера 2. Соответственно вход 11 образует один конец, и выход 12 образует другой конец трубчатой части 13. Теплообменная часть 14 и участок транспортировки газа 15 размещаются последовательно от входа 11 по направлению к выходу 12 вдоль трубчатой части 13. Отметим, что возможно также размещение теплообменной части 14 и участка транспортировки газа 15 в противоположном порядке, а именно: с размещением участка транспортировки газа 15 и теплообменной части 14 последовательно от входа 11 по направлению к выходу 12. То есть участок транспортировки газа 15 может помещаться или выше, или ниже по потоку от теплообменной части 14.
Вход 11 обеспечивает выпуск (вытекание) горячего инертного газа, содержащегося с герметичном контейнере 2, с использованием для этого участка транспортировки газа 15. Горячий инертный газ, который выпущен из входа 11, вводится в теплообменную часть 14 через трубчатую часть 13, и затем охлаждается теплообменной частью 14. Инертный газ, охлажденный теплообменной частью 14, вытекает в герметичный контейнер 2 через выпуск 12 участком для транспортировки газа 15.
Поскольку плавильная печь 1 согласно настоящему варианту реализации имеет механизм охлаждения тигля 10, имеющий описанную выше конструкцию, по сравнению с предыдущим случаем, когда охлаждение зависит от теплообмена через инертный газ (т.е. тогда, когда герметичный контейнер находится в, по существу, стационарном состоянии), теплообмен (то есть охлаждение) возможен при весьма значительной скорости и, следовательно, может быть достигнуто сокращение длительности охлаждения. В результате в плавильной печи 1 согласно настоящему изобретению возможно эффективное охлаждение тигля 4. То есть, поскольку внутренняя полость герметичного контейнера 2 может быть открыта в атмосферу, и работа по техническому обслуживанию выполняется в этой полости после истечения очень краткого, по сравнению с предыдущей плавильной печью, периода охлаждения, существует возможность улучшить рабочий цикл плавильной печи 1 согласно настоящему варианту реализации.
Кроме того, в плавильной печи 1 к герметичному контейнеру 2 присоединены вакуумный насос 6 и труба для подачи инертного газа 7. Внутренняя полость герметичного контейнера 2 выдерживается при определенной степени разрежения согласно нужной программе, например, после того, как во внутренней полости герметичного контейнера 2 устанавливается определенная степень разрежения через вакуумный разряд, в нее вводят нужный инертный газ по трубе 7 для ввода инертного газа, и внутренняя полость герметичного контейнера 2 содержится при заданном давлении.
После этого сырьевые металлические слитки (т.е. сырье) подвергают индукционному нагреву посредством индукционной катушки 5 и плавятся внутри тигля 4 плавильной печи 1.
Корпус 3 плавильной печи 1 установлен с возможностью наклона (вращения) так, что он может поворачиваться вокруг оси вращения (не показана) и наклоняется гидравлическим цилиндром (не показан) из положения, показанного пунктиром, в положение, показанное сплошной линией на фиг.1. Далее положение, показанное на фиг.1 сплошной линией, упоминается как положение плавления, в то время как положение, показанное на фиг.1 пунктиром, упоминается как положение литья. То есть в положении плавления слитки сырья, содержащиеся в тигле 4, плавятся. В положении литья расплавленный материал выливают из тигля 4.
Когда полученный расплавленный металл (т.е. расплавленный материал) выливают из плавильной печи 1, корпус плавильной печи 3 поворачивается вокруг своей оси наклона (т.е. оси вращения) из положения, показанного пунктиром (т.е. из положения плавления), в положение, показанное сплошной линией (т.е. в положение литья). После этого расплавленный металл (расплавленный материал) выливается из носка 4b тигля 4.
Отметим, что, хотя это и не показано на фиг.1, рядом с плавильной печью 1 помещается кузнечная камера и тому подобное, и расплавленный металл, вылитый из тигля 4 плавильной печи 1, подается в кузнечную камеру через отверстие (т.е. литейное отверстие), помещенное в донной поверхности плавильной печи 1.
Таким образом, для того чтобы выполнить работу по техническому обслуживанию на внутренней полости тигля 4 в плавильной печи 1 после нагрева и плавления в ней сырьевых слитков и литья полученного расплавленного металла, необходимо охладить тигель 4 до температуры, при которой может осуществляться работа по техническому обслуживанию. Для того чтобы активно ускорять охлаждение тигля, который при нормальных обстоятельствах охлаждается только чрезвычайно медленно, в настоящем варианте реализации предусмотрен механизм охлаждения тигля 10. А именно, после выпуска инертного газа, содержащегося внутри герметичного контейнера 2, через вход 11 механизма охлаждения тигля 10, инертный газ охлаждается в теплообменной части 14 механизма охлаждения тигля 10, и затем охлажденный инертный газ поступает внутрь герметичного контейнера 2. Путем применения механизма охлаждения тигля 10 согласно настоящему варианту реализации охлажденный инертный газ (т.е. холодный ветер) вдувается внутрь тигля 4 через выход 12, допуская, таким образом, эффективное охлаждение тигля 4.
Для получения охлажденного инертного газа (т.е. холодного ветра) теплообменная часть 14 и участок транспортировки газа 15, который располагается ниже по потоку теплообменной части 14, помещаются на участке трубчатой части 13, который имеет вход 11 и выход 12 в механизме охлаждения тигля 10. Теплообменной частью 14 может быть теплообменник, а участком транспортировки газа 15 может служить вентилятор.
Таким образом, в настоящем изобретении вход (т.е. канал) 11 располагается в герметичном контейнере 2, который вмещает плавильную печь 3, и горячий инертный газ всасывается из внутренней полости герметичного контейнера 2 участком транспортировки газа 15, и горячий инертный газ охлаждается путем пропуска через теплообменную часть 14, и охлажденный инертный газ затем вдувают в тигель 4 через выход 12. В результате в дополнение к излучению охлаждение тигля 4 ускоряется путем теплообмена охлажденного инертного газа, который вдувают в тигель 4.
Кроме того, поскольку механизм охлаждения тигля 10 имеет участок транспортировки газа (например, вентилятор) 15 и теплообменную часть (т.е. теплообменник) 14, можно генерировать инертный газ, охлажденный до нужной температуры и обладающий нужной скоростью циркуляции газа. В результате путем продувки инертного газа (т.е. холодного ветра), охлажденного до нужной температуры, к тиглю 4, можно также контролировать кривую охлаждения тигля 4. Соответственно становится возможным установить подходящие условия охлаждения, подходящие для материала, применяемого для формирования тигля 4, и для температуры тигля 4, которая меняется каждую минуту.
Кроме того, желательно, чтобы выход 12 помещался, будучи обращен к внутренней донной поверхности 4а тигля 4 в то время, когда он находится в наклоненном положении (т.е. в положении литья, а именно: в положении, в котором тигель 4 изображен сплошной линией на фиг.1). В положении, в котором носок 4b тигля 4 в наклоненном состоянии обращен к нижней поверхности герметичного контейнера 2 (т.е. в положении литья, а именно: в положении, в котором тигель 4 показан сплошной линией на фиг.1), желательно, чтобы вход 11 помещался ближе к нижней стороне поверхности герметичного контейнера 2, чем помещается носок 4b. А именно в положении литья тигля 4 вход 11 помещается ниже носка 4b в направлении литья (т.е. в направлении сверху вниз на чертеже, а именно в направлении действия силы тяжести). Внутри герметичного контейнера 2 поток газа может быть выстроен более оптимально с использованием формы носка 4b тигля 4 (в частности, путем выравнивания его с направлением действия силы тяжести). А именно: газ (т.е. инертный газ), который вытекает из выхода 12, может надежно вдуваться на внутреннюю донную поверхность 4а тигля 4, и газ, который был нагрет путем теплообмена в тигле 4, может эффективно направляться к входу 11. Путем применения такой конструкции можно ускорить охлаждение тигля 4.
Кроме того, желательно, чтобы внутренний диаметр d1 выхода 12 был меньше внутреннего диаметра d2 входа 11. Здесь внутренний диаметр соединительной части 13а, который соединяет участок транспортировки газа 15 с выходом 12, меньше других частей трубчатой части 13. Путем сужения выхода 12 охлажденный газ вдувают в локальные участки с более высокой скоростью потока, и его можно надежно вдувать в цель в форме тигля 4. А именно скорость дутья на выходе 12 может быть сделана более высокой, чем скорость дутья на входе 11. Кроме того, локальные струи могут надежно вдуваться на целевой участок, а именно - на «нужную позицию на внутренней донной поверхности 4а тигля 4». Вариант реализации предусматривает то, что вдувают охлажденный инертный газ на локальные участки с высокой скоростью дутья, причем внутренний диаметр соединительной части 13а сужен, однако настоящий вариант реализации не ограничивается этим и может также предоставляться механизм, который увеличивает расход инертного газа в соединительной части 13а. Например, внутри соединительной части 13а могут быть помещены ребра.
В частности, желательно выполнение выхода 12 таким образом, чтобы воздушный поток, выпущенный из выхода 12, вдувался на участок в пределах 40% диаметра от центра внутренней донной поверхности 4а тигля 4.
Путем применения конструкции, при которой выпущенный воздушный поток вдувают на участок в пределах 40% диаметра от центра внутренней донной поверхности 4а тигля 4, выпущенный воздушный поток может вдуваться непосредственно в тигель 4 без какого-либо отклонения. Соответственно во время охлаждения тигля 4 не существует неоднородности в состоянии охлаждения тигля 4 (например, состояния, при котором температура одной половины тигля 4 выше температуры другой половины). В результате можно сдерживать любое повреждение тигля 4 (например, трещины и разломы и тому подобное), которое может быть вызвано неравномерным охлаждением, и увеличивать количество раз использования тигля 4. А именно может быть достигнуто увеличение длительности срока службы тигля 4.
После охлаждения тигля 4 до температуры, при которой может быть выполнена работа по техническому обслуживанию, открывают крышку (не показана) герметичного контейнера 2 и начинается работа по техническому обслуживанию. В настоящем варианте реализации, поскольку можно ускорить охлаждение тигля 4 способом, описанным выше, значительно сокращается время ожидания момента, когда может быть начата работа по техническому обслуживанию и, в результате этого, рабочий цикл может быть укорочен и может быть достигнуто соответствующее повышение производительности.
Вариант реализации настоящего изобретения описан выше, однако настоящее изобретение не ограничивается этим вариантом и возможны различные модификации, основанные на технологических принципах настоящего изобретения.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение может широко применяться в индукционных плавильных печах нагревательного типа, имеющих тигли, помещенные в герметичных контейнерах.
Описание числовых позиций
1 плавильная печь
2 герметичный контейнер
3 корпус плавильной печи
4 тигель
5 индукционная катушка
10 механизм охлаждения тигля
11 вход
12 выход
13 трубчатая часть
14 теплообменная часть (теплообменник)
15 участок транспортировки газа (вентилятор)