ПЛАВИЛЬНЫЙ ВОДООХЛАЖДАЕМЫЙ ТИГЕЛЬ
MELTING CRUCIBLE, WATER-COOLED

Изобретение относится к плавильному оборудованию, а именно к конструктивным элементам вакуумно-дуговых печей, плазменно-дуговых и электронно-лучевых печей, в конструкции которых используется водоохлаждаемый плавильный инструмент.
Выплавка химически активных тугоплавких материалов без их загрязнения в промышленных масштабах возможна только в холодных тиглях, т.е. в контейнерах, рабочая температура которых ниже температуры переплавляемого материала. Выделяя тем или иным способом тепло в садке, удается создать устойчивую ванну расплава, непосредственно соприкасающуюся с холодным тиглем или отделенную от него слоем нерасплавившегося материала (гарнисажа). Гарнисаж предохраняет расплав от влияния тигля. Плавка с гарнисажем гарантирует абсолютную чистоту расплава.
Плавильный инструмент в процессе работы испытывает большие тепловые нагрузки. Тепловые потоки через его стенки могут достигать от сотен до тысяч киловатт на квадратный метр, а в аварийных ситуациях превосходят эту величину. В результате больших градиентов температур возникают термические напряжения. Кроме того, инструмент испытывает большие механические нагрузки от веса собственной конструкции и веса расплава, циклических нагрузок. Прожог инструмента, потеря герметичности или иные даже локальные разрушения конструкции инструмента недопустимы. Например, разрушение тигля при выплавке титана влечет за собой не только паровой взрыв, но и взрыв гремучей смеси, т.к. титан взаимодействует с водой с ее диссоциацией и выделением свободного водорода.
Известны холодные тигли, которые изготовляются в виде сегментов из профилированных неравностенных медных трубок или массивных сварных фрезерованных медных секций (А.С. СССР №273373, 1970 г.).
Тигли сложны конструктивно, трудоемки в изготовлении и используются в печах с относительно малым объемом расплава.
Известен плавильный водоохлаждаемый тигель, содержащий металлический корпус с герметичными внутренними каналами охлаждения, корпус выполнен из биметаллических плит, полученных путем сварки взрывом медного слоя со слоем нержавеющей стали. В полученной таким образом плите посредством направленного перемещения специальной фрезы формируются каналы охлаждения в медном слое, с помощью которых производится регулировка тепловых процессов в тигле. Плиты соединены между собой упругими элементами. Водоохлаждаемые каналы выполнены в одной плоскости (патент РФ №2166714) - прототип.
Недостатком данной конструкции является то, что соединение элементов тигля осуществляются жесткими шпилечными креплениями, которые имеют возможность упруго компенсировать температурные расширения только в направлении одной степени свободы - по оси крепления шпильки. Поэтому в стенках и дне тигля появляются напряжения, вызванные различным термическим расширением, имеющие различные векторы направлений в наружных и внутренних слоях этих элементов из-за большого градиента температур в процессе плавки. Выполненные каналы имеют значительную глубину, которая регламентирована конструкторскими особенностями данной части устройства. При данной конструкции системы водоохлаждаемых каналов и силовом креплении элементов тигля при плавке титана по расчетным и экспериментальным данным толщина медной плиты не может быть менее 190-200 мм, а стальной - менее 10 мм. Соединение между собой стального и медного слоев плиты выполнено посредством сварки взрывом. При этом технологический процесс сварки накладывает ограничения на толщину соединяемых слоев. Чем меньше толщина, тем проще осуществить сварное соединение и, как следствие, меньше стоимость биметаллической плиты. Изготовление биметаллической плиты, состоящей из медного слоя толщиной 200 мм и стального толщиной 10 мм, является затратной и сложной в технологическом отношении.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение срока службы тигля, снижение стоимости и металлоемкости конструкции, упрощение технологии изготовления, повышение ремонтопригодности.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является минимизация механических напряжений в конструкции тигля, возникающих в результате контакта деталей тигля при их термическом расширении.
Указанный технический результат достигается тем, что плавильный водоохлаждаемый тигель, состоящий из медно-стальных биметаллических плит, которые содержат внутренние герметические водоохлаждаемые каналы, дополнительно содержит раму, в которой положение каждой плиты фиксируется ее односторонним защемлением, при этом обеспечивается свободное смещение контактирующих поверхностей плит относительно друг друга, электрический контакт между плитами обеспечивается упругими соединениями, а водоохлаждаемые каналы, которые сверху герметически закрыты приваренными стальными пластинами, выполнены на наружной поверхности биметаллических плит со стороны стального листа.
На наружной поверхности биметаллических плит со стороны стального листа дополнительно выполнены компенсационные канавки.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид тигля, на фиг.2 - сечение водоохлаждаемой плиты, на фиг.3 - схема термического расширения стенок тигля.
Плавильный водоохлаждаемый тигель содержит раму 1, в которой установлены и закреплены днище 2, боковые стенки 3, передняя стенка 4 и задняя стенка 5. Днище и стенки выполнены из цельнокатаных биметаллических плит, состоящих из медной плиты 6 и стального листа 7. Плиты фиксируются в раме с одного конца посредством крепежного узла 8. На поверхности каждой плиты со стороны стального листа 7 выполнены водоохлаждаемые канавки 9, которые сверху закрыты стальными пластинами 10. Пластины прикреплены посредством сплошного вакуум-плотного сварного шва 11. На каждой плите имеется входное отверстие 12 и выходное отверстие 13 для подвода воды. Электрический контакт между плитами обеспечивается упругими токопроводящими соединениями 14. Для уменьшения до приемлемого уровня механических напряжений на границе соединения стали и меди, вызванных неравномерностью их термических расширений, выполнены компенсационные пазы 15.
Плавильный водоохлаждаемый тигель работает следующим образом. Перед плавкой в заднюю стенку 5 устанавливается стержень 16 (держатель электрода-гарнисажа) и закладная стенка 17. Стержень 16 выполнен из сплава, аналогичного сплаву плавки, а на дно тигля укладывается шихта. Над тиглем на электрододержателе печи закрепляется стержень 16 с приваренным к нему гарнисажем предыдущей плавки. После сплавления электрода-гарнисажа производиться слив металла путем наклона тигля через сливной носок 18 в изложницу (на чертеже не показана). Масса сливаемого металла составляет 7 тонн. После охлаждения печь разгерметизируют, из тигля извлекают образовавшийся гарнисаж-электрод с приваренным к нему стержнем 16. Выгружают изложницу со слитым металлом. Затем процесс повторяется.
За счет рациональной конструкции тигля термическое изменение размеров плит не вызывает механических нагрузок в местах их контакта. Схема термического расширения стенок в тигле приведена на фиг.3. Кроме того, компенсационные пазы 15 препятствуют возникновению значительных напряжений материала на границе медь-сталь.
Предложенная конструкция позволила сократить толщину медной плиты с 200 мм до 55 мм, а толщину стального листа с 10 мм до 5 мм. Соответственно сокращена масса тигля более чем в три раза, снизились затраты на изготовление тигля. Емкость тигля по сливаемому расплаву увеличилась более чем на 30%.