БЛОК ПЛАВИЛЬНЫЙ С СЕКЦИОННЫМ ХОЛОДНЫМ ТИГЛЕМ ДЛЯ ПЛАВКИ АКТИВНЫХ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ

Полезная модель относится к области электрометаллургии, в частности к индукционным вакуумным плавильным печам для плавки металлов и сплавов.
Известна вакуумная индукционная печь с холодным тиглем, содержащая вакуумную камеру с холодным тиглем и индуктором (Тир Л.И Губченко А. Индукционные плавильные печи для процессов повышенной точности и чистоты. - М.: Энергоиздат, 1988, с. 74).
Известно также устройство индукционной вакуумной печи с холодным тиглем, выполненным из секций, включающее индуктор и вакуум-камеру, выполненную в виде полого цилиндра из неэлектропроводного материала, расположенного между индуктором и холодным тиглем, который установлен в вакуум-камере с зазором (RU 2096713, F27D 11/06,1997).
Однако металлы и сплавы, полученные в известных устройствах, загрязнены материалами тигля.
Известен блок для плавки активных тугоплавких металлов и их сплавов, содержащий холодный плавильный тигель, выполненный из металлических охлаждаемых изолированных друг от друга секций и охлаждаемого дна, а также охлаждаемый индуктор, выполненный из параллельно расположенных медных трубок, образующих витки вокруг тигля, и концентратор магнитного поля, выполненный в виде магнитопровода из пластин листовой электротехнической стали, закрепленных снаружи индуктора по его по периметру. Для охлаждения плавильного блока напорный и сливной коллекторы расположены в его нижней части. (RU 128302 U1, F27B 14/00, 2013) - Прототип.
Известная конструкция плавильного блока обеспечивает минимизацию контакта расплава со стенками «холодного» тигля, за счет чего повышает чистоту получаемого материала. Однако конструкция плавильного блока препятствует получению однородной структуры сплава.
Тигельная печь представляет собой относительно короткую электромагнитную систему, поэтому электродинамические силы направлены строго радиально только в средней по высоте части тигля. Ближе к верхнему и нижнему торцам тигля, где магнитное поле искажается, и линии его не проходят параллельно оси, радиальная составляющая электродинамических сил уменьшается. Под действием такой системы сил металл в средней части тигля перетекает от периферии к оси, затем по оси тигля выжимается вверх к зеркалу ванны и вниз - ко дну тигля. Вверху и внизу он перетекает к стенкам и вдоль стенок возвращается к средней части тигля, совершая, так называемую, двухконтурную циркуляцию. При этом в каждом из контуров, т.е. в верхней и нижней половинах ванны, металл циркулирует практически раздельно, слабо смешиваясь, что препятствует получению однородной структуры сплава.
Техническим результатом является создание конструкции плавильного блока, позволяющего получить гомогенный материал плавки с идентичным химическим составом по всему объему.
Указанный технический результат достигается тем, что в плавильном блоке для плавки активных тугоплавких металлов и их сплавов, содержащем холодный плавильный тигель, выполненный из металлических охлаждаемых изолированных друг от друга секций и охлаждаемого дна, с нанесенным на образуемую ими внутреннюю поверхность тигля, по крайней мере, одним электроизоляционным покрытием, охлаждаемый индуктор, выполненный из параллельно расположенных медных трубок, образующих витки вокруг тигля, и концентратор магнитного поля, выполненный в виде магнитопровода из пластин листовой электротехнической стали, закрепленных снаружи индуктора по его по периметру, а также напорный и сливной коллекторы для охлаждения тигля, расположенные в его нижней части, в соответствии с заявляемой полезной моделью, один или два витка индуктора расположены ниже плоскости дна тигля, а концентраторы магнитного поля установлены так, что один из равных промежутков L между ними равен 2L.
Размещение одного или двух витков индуктора ниже плоскости дна тигля позволяет сместить зону плавки в верхнюю часть тигля, за счет чего происходит повышение радиальных сил, действующих на расплав в нижней части тигля (как известно, силы обжатия металла магнитным полем ослабевают от центра сечения тигля к его торцам). В данном случае интенсивность магнитного потока у основания и в центральной части тигля уравновешиваются, как и удельная электродинамическая сила, приложенная к единице объема жидкого металла (данная сила пропорциональна подводимой к металлу мощности). При этом происходит статическое обжатие всего расплава, что приводит к выдавливанию металла вверх с образованием выпуклого мениска на поверхности расплава. С возрастанием высоты мениска увеличивается гидростатическое давление по оси тигля, вследствие чего, силы гидростатического сжатия на дне ванны препятствуют сдавливанию металла силами электромагнитного взаимодействия, и возникают предпосылки к формированию в расплаве второго контура циркуляции, как это происходит при осуществлении плавки в плавильном блоке, конструкция которого взята нами за прототип. То есть система пытается перейти в динамическое равновесие.
Для нарушения данного равновесия концентраторы магнитного поля установлены по периметру индуктора с равными промежутками, но один из промежутков в два раза превышает остальные. Это способствует искажению магнитного потока и возникновению градиента напряженности магнитного поля, как у поверхности расплава, так и в изолированных друг от друга секциях охлаждаемого тигля. Эти явления провоцируют искажение формы мениска электродинамическими силами и заставляют область высокого давления сместиться от центральной части тигля, нарушая равновесие системы. Гидростатическое давление на оси тигля уменьшается, вследствие чего возникает одноконтурная циркуляция, и расплав в тигле активно перемешивается, что позволяет получить гомогенный материал плавки с идентичным химическим составом по всему объему.
Для достижения технического результата достаточно разместить не более двух витков индуктора ниже плоскости дна тигля. Увеличение количества витков не оказывает существенного влияния на результат, но снижает энергоэффективность процесса. К снижению энергоэффективности процесса вследствие потерь энергии ведет и увеличение заявленного удвоенного промежутка между концентраторами магнитного поля.
Выполнение плавильного блока с использованием электромагнитного силового воздействия, созданного переменным током в индукторе, позволяет минимизировать контакт расплава со стенками “холодного” тигля, добиваясь, таким образом, высокой чистоты получаемого материала. Наличие зазоров между отдельными секциями плавильного тигля, исключают наведение в тигле кольцевых токов, обратных току индуктора и экранирующих садку тигля. При плавке металла в тигле существует замыкание между секциями через металл. Для предотвращения таких токов на внутреннюю поверхность каждой секции тигля наносят специальное композиционное многослойное покрытие для электрической изоляции и высокой теплостойкости внутренних стенок тигля. Магнитопроводы замыкают через себя магнитные силовые линии снаружи индуктора, концентрируя магнитные силовые линии внутри тигля, увеличивая интенсивность воздействия энергии индуктора на расплавляемый материал.
Размещение напорного и сливного коллекторов конструкции охлаждения секций холодного тигля в нижней части плавильного блока, разделяя подачу и слив воды, позволяет более эффективно охлаждать тигель, снижая тем самым температуру его стенок.
Полезная модель поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - плавильный блок с секционным холодным тиглем,
на фиг. 2а, б - схема расположения концентраторов магнитного поля вокруг индуктора.
2
3
Плавильный блок содержит секционный холодный плавильный тигель 1, состоящий из двадцати четырех медных водоохлаждаемых секций и водоохлаждаемого днища 2 с заглушкой 3, которая служит для облегчения работ по извлечению из тигля «отработанного» гарнисажа. Привалочные поверхности днища тигля и медных секций имеют керамическое покрытие, например, из оксида алюминия AlO. Вокруг тигля 1 расположен индуктор 4, выполненный из медной трубы с наружным диаметром 50 мм, два витка которого расположены ниже плоскости дна тигля. По периметру индуктора 4 расположено семь внешних концентраторов магнитного поля - магнитопроводов 5, состоящих из набора пластин листовой электротехнической стали толщиной 0,35 мм. Концентраторы расположены друг от друга через равные промежутки L (длина дуги, соответствующая центральному углу в 45°), длина одного из промежутков составляет 2L (длина дуги, соответствующая центральному углу в 90°). Фиксация всех секций тигля 1 реализована за счет их крепления к днищу 2 в нижней части тигля и установки стеклотекстолитового фиксирующего кольца 6 в верхней части тигля. Охлаждение тигля 1 осуществляется за счет интенсивного перетекания жидкости из напорного коллектора 7 в сливной коллектор 8 через каждый из контуров водоохлаждения. Плавильный блок оборудован механизмом поворота тигля для его наклона при заливке жидкого металла 9 в керамические формы.
Плавильный блок работает следующим образом.
Индукционная плавка в холодном тигле используется для получения сплавов с возможностью реверсивного обратимого формоизменения (памятью формы), а именно прецизионных сплавов на титано-никелевой основе, например, никелида титана.
Первоначально рассчитывают и подготавливают шихтовый материал. Определяют оптимальную схему укладки шихты в холодный тигель, порядок введения легирующих добавок из загрузочного устройства в процессе плавки. Для каждого вида сплава определяют оптимальные режимы плавки: мощность, частоту, степень вакуумирования и время работы печи на определенной мощности на каждом этапе плавки.
-3
-4
В холодный тигель загружают вручную требуемый развес расплавляемого металла. Включают силовые цепи, вводные автоматы, подачу охлаждающей воды, осуществляют вакуумирование плавильной камеры, где располагается плавильный блок, до давления 1×10…5×10 мм рт. ст. Затем включают индуктор и производят расплавление металла, замер температуры расплава, добавку при необходимости легирующих элементов в тигель. После окончания плавки осуществляют заливку жидкого металла из холодного тигля в керамические формы.
В настоящее время плавильный блок находится на стадии внедрения. Опытный образец блока показал надежность его работы с повышением качества получаемых отливок.