ВАКУУМНАЯ ИНДУКЦИОННАЯ ПЛАВИЛЬНО-ЗАЛИВОЧНАЯ УСТАНОВКА
VACUUM INDUCTION MELTING AND CASTING UNIT

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой, например деталей лопаток газотурбинных двигателей из никелевых, жаропрочных сплавов в условиях высокого температурного градиента на фронте роста.
Известно, что повышение температурного градиента на фронте роста (до 150-200°C/см) при направленной кристаллизации литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, кобальта за счет уменьшения высоты жидкотвердой зоны на фронте роста кристалла обеспечивает формирование в отливках более однородной, тонкодендритной структуры с меньшей дендритной ликвацией, пористостью, что, в свою очередь, повышает характеристики прочности и усталости сплавов.
Известно устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, содержащее вертикальную вакуумную камеру, внутри которой размещена индукционная плавильная печь, печь подогрева форм, механизм перемещения формы, экран, разделяющий зону нагрева и зону охлаждения, выполненный раздвижным в горизонтальной плоскости, емкость для кристаллизации отливок, содержащая жидкометаллический охладитель и тепловой экран. Нижняя часть стенки емкости для кристаллизации снабжена нагревательным элементом (RU 2398653 С1, 10.09.2010).
Недостатком устройства являются трудности, связанные с обеспечением одинаковых тепловых условий при получении отливок сложной геометрии с направленной структурой. Вертикальное исполнение камеры создает трудности в обслуживании и эксплуатации. Также к недостаткам можно отнести неэффективность подвижного теплового экрана, не исключающую образование зазора между экранами и керамической формой детали сложной геометрии. Использование водоохлаждаемой рубашки в месте сопряжения печи и кристаллизатора малоэффективно для получения высокого градиента температур, чем при погружении формы в жидкометаллический охладитель.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является устройство, применяемое при литье лопаток методом направленной кристаллизации, которое содержит вакуумную камеру, внутри которой расположена печь подогрева форм, плавильная печь, зона охлаждения, состоящая из жидкометаллического охладителя с отражающим экраном, поддоном на тележке и водоохлаждаемым подъемным столом (RU 2267380 С1, 10.01.2006).
К недостаткам прототипа можно отнести: малые размеры блоков форм отливаемых деталей, малые размеры водоохлаждаемого подъемного стола, имеющего малую площадь для осуществления необходимого теплосъема с ванны кристаллизатора. Емкость с жидкометаллическим охладителем всей массой устанавливается на графитовом поддоне подъемного стола, что неизбежно приведет к выходу из строя механизма для подъема и опускания стола. Наличие под печью подогрева форм подвижных теплоизоляторов в виде набора тонких пластин с профилированным отверстием для прохода литейных форм в процессе кристаллизации не обеспечивает необходимого надежного минимального зазора между формой и экраном сложной конфигурации и неэффективно для получения высокого градиента температур.
Технической задачей данного изобретения является повышение производительности и надежности в эксплуатации установки, увеличение качества выпускаемых изделий и выхода годных отливок при заливке форм.
Техническим результатом изобретения является обеспечение градиента температур по зеркалу расплава кристаллизатора, увеличение производительности установки наряду со снижением себестоимости затрат до 30%, исключение возгонки алюминия в объем камеры плавильной, приводящее к увеличению ресурса эксплуатации установки, разделение позонно понижающих трансформаторов, дающее возможность независимой регулировки температуры каждой зоны печи ППФ, ведущее к повышению надежности в работе и более длительной эксплуатации установки между ремонтами, а также повышению качества выпускаемых деталей и увеличению выхода годных отливок при заливке форм, состоящих из трех блоков.
Для достижения поставленной задачи предложена вакуумная индукционная плавильно-заливочная установка для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, включающая камеру плавильную со сферической крышкой, плавильным тиглем, кристаллизатором, вакуумной системой, печью подогрева форм и установленными сверху на плавильной камере загрузочным устройством для подачи шихты в плавильный тигель, механизмом вертикального перемещения форм, вакуумным затвором и механизмом открывания и закрывания двери ППФ, а также расположенными внутри плавильной камеры на кронштейнах направляющими реечного механизма для перемещения форм в горизонтальной плоскости; шлюзовую камеру, размещенную на тележке и имеющую переходной патрубок, установленный со стороны плавильной камеры, и крышку с другой стороны, механизм перемещения форм, шиберный вакуумный затвор; при этом камера плавильная, шлюзовая камера и сферическая крышка герметично скреплены друг с другом по стыковым полостям разъемными соединениями; блок откатной, установленный на тележке и состоящий из конденсаторной батареи, тиристорного преобразователя чистоты тока, пульта измерительного, токоподводов с тремя трансформаторами, причем камера плавильная установлена между шлюзовой камерой, имеющей прямоугольную форму, и откатным блоком, на тележке которого закреплена сферическая крышка с установленными внутри нее плавильным тиглем, ППФ и кристаллизатором; охлаждаемый медный подъемный стол, представляющий собой конструкцию в виде медного экрана с герметичными полостями для протока хладоносителя, закрепленный через уплотнение на охлаждаемом штоке механизма перемещения стола с управляемым приводом.
На фиг. 1 представлен общий вид вакуумной индукционной плавильно-заливочной установки.
На фиг. 2 представлен вид охлаждаемого медного подъемного стола.
Вакуумная индукционная плавильно-заливочная установка (фиг. 1) состоит из блока откатного 1, камеры плавильной 2 и камеры шлюзовой 3. Блок откатной 1 состоит из тележки 4, на которой установлена конденсаторная батарея 5, пульт измерительный 6, сферическая крышка 7, трансформаторы 8, питающие печь подогрева форм (ППФ) 9. Внутри на сферической крышке 7 установлен плавильный тигель 10, ППФ 9 установлена на кронштейне 11. ППФ имеет увеличенный габарит по сравнению с аналогичными печами, применяемыми на установках данного типа, что позволяет применить на данной установке блоки форм с увеличенным количеством заливаемых лопаток, позволяющие снизить расход расплава до 25% за счет увеличения количества деталей за одну плавку и увеличенного рабочего пространства печи подогрева формы.
При применении форм с увеличенным количеством деталей слив расплава расходуется именно на заливку форм, а не остается в разливочной чаше, что ведет к снижению объема металла в чаше на 25% и оптимизации температурных параметров подогрева формы и заливки металла.
За счет применения увеличенной ППФ 9 происходит повышение ресурсоемкости печи подогрева форм, на 25% увеличение количества изготовленных деталей.
Под ППФ 9 (фиг. 2) расположен жидкометаллический кристаллизатор 12 на выкатной тележке 13. Камера плавильная 2 имеет цилиндрическую форму и расположена горизонтально на опорах 14, которые крепятся к фундаменту пола. Снаружи сверху на камере плавильной 2 (фиг. 1) установлено загрузочное устройство 15 для подачи шихты в плавильный тигель 10 с термопарой погружения (на фиг. 1 не показаны) для замера температуры жидкого металла в плавильном тигле 10, а также механизм вертикального перемещения (подъема и опускания) 16 керамических форм с затвором вакуумным 17, разделяющим вход в загрузочное устройство 15 от атмосферы. На камере плавильной 2 устанавливается также механизм открывания и закрывания 18 двери 19 ППФ 9. Внутри камеры плавильной 2 на специальных кронштейнах расположены направляющие, по которым перемещаются керамические формы на подвесках в горизонтальной плоскости с помощью направляющих 20. Камера плавильная 2 имеет также необходимые элементы конструкции для наблюдения за процессом перемещения механизмов, гляделки, патрубки подсоединения к системе вакуумной. В нижней части камеры плавильной 2 (фиг. 2) расположены направляющие 21, на которые устанавливается тележка кристаллизатора 13, в которой установлена ванна с алюминием - кристаллизатор 12. Под кристаллизатором 12 находится охлаждаемый медный подъемный стол 22, представляющий собой конструкцию в виде медного экрана с герметичными полостями для протока хладоносителя (возможно применение как жидкости, так и газа) в форме перевернутой буквы «п» для увеличения площади, принимающей на себя тепловое излучение от ванны с жидким алюминием. Охлаждаемый медный подъемный стол 22 через уплотнение закрепляется на охлаждаемом штоке из нержавеющей стали, который проходит через вакуумные уплотнения камеры плавильной 2. Охлаждаемый медный подъемный стол 22 поднимается в непосредственную близость к кристаллизатору 12 в нужный момент времени для отвода тепла от него. Подъем осуществляет управляемый привод 23, когда поступает сигнал от термопар жидкометаллического кристаллизатора о достижении критической температуры расплава алюминия и необходимости понижения температуры. Вследствие чего процесс кристаллизации не прерывается, происходит оптимизация градиента температур в кристаллизаторе, что положительно влияет на рост кристалла.
Камера шлюзовая 3 установлена на второй откатной тележке 24. Камера шлюзовая 3 со стороны камеры плавильной 2 имеет переходной патрубок 25, с другой стороны крышку 26 прямоугольной формы, обеспечивая максимальное заполнение их внутреннего объема керамическими формами, что упрощает процесс откачки воздуха в шлюзовой камере. Внутри камеры шлюзовой 3 сверху имеются механизм перемещения форм 27 с цепным механизмом 28 для перемещения форм направляющими 20 телескопического типа с ППФ 9, а также шиберный затвор вакуумный 29, стол 30 на поворотной консоли 31.
Таким образом, установка в сборе состоит из трех основных модулей - модуля откатного блока 1, модуля камеры плавильной 2 и модуля камеры шлюзовой 3, которые устанавливаются в одном уровне.
Сначала устанавливается на фундамент камера плавильная 2 и крепится болтами к раме рельсового пути. Затем с правой и левой сторон камеры плавильной устанавливаются на рельсовый путь тележки с элементами сборки блоков откатного и шлюзового. Каждая тележка имеет приводную систему для самостоятельного перемещения по рельсовым путям.
Блок шлюзовой 3 имеет с камерой плавильной 2 общую стыковочную плоскость по поверхностям фланцев 32, 33. Фланцы зажимаются ручными зажимами, обеспечивая герметичность во время эксплуатации вакуумной индукционной установки. Сборка модуля блока откатного 1 производится на тележке 4 с установкой на ней конденсаторной батареи 5, пульта измерительного 6, тиристорного преобразователя частоты, трансформаторов 8, питающих ППФ 9, а затем сферическая крышка 7, коллектор напорно-сливной для охлаждения всех элементов блока, в том числе и плавильного тигля 10, токоподводов ППФ 9. Размещение трех трансформаторов 8 на тележке 4 позволяет значительно снизить энергетические потери при работе ППФ 9. Сферическая крышка 7 устанавливается на стойках 34 для обеспечения герметичной стыковки и совмещения ее стыковой плоскости 35 со стыковой плоскостью 36 камеры плавильной 2. Внутри сферической крышки 7 на кронштейне 11 устанавливается ППФ 9 с токоподводами 37 и 38. На специальном кронштейне устанавливается плавильный тигель 10 с механизмом его поворота 39 и коаксиальным вводом 40 с элементами подвода электроэнергии от источников питания.
Системы вакуумная, водоохлаждения, пневматическая и управления монтируются к установке с учетом обеспечения возможности перемещения механизмов по рельсовым путям. Пульты управления механизмами, тележкой и нагревом (на фигуре не показаны) крепятся и устанавливаются с учетом удобства обслуживания.
Печь подогрева форм 9 изготовлена из композитных материалов и представляет собой прямоугольный короб без дна. Внутри расположены нагреватели, осуществляющие нагрев по зонам - первая зона имеет один боковой нагреватель из композитного материала, напротив расположен второй аналогичный нагреватель, образующий вторую зону нагрева, третья зона - это нижние нагреватели, подвод питания осуществляется через медные водоохлаждаемые токоподводы 37 и 38 от трех понижающих печных трансформаторов.
Боковые нагреватели подсоединены электрически каждый к своему трансформатору, что обеспечивает регулируемый нагрев форм с двух сторон. Нижний нагреватель подсоединен к третьему трансформатору и обеспечивает нагрев формы снизу, сохраняя необходимый температурный режим.
Три основных модуля откатной, плавильный и шлюзовой герметично крепятся друг к другу по стыковым полостям разъемными соединениями, образуя герметичную камеру.
Работа вакуумной индукционной плавильно-заливочной установки осуществляется следующим образом.
Предварительно в шлюзовой камере 3 при открытой крышке 26 устанавливается необходимое количество форм керамических. Крышка 26 закрывается и внутри герметичной камеры создаются рабочее давление и температура. Затем с помощью направляющих 20 с помощью реечного механизма перемещения форм 27 формы подают в ППФ 9. Через загрузочное устройство 15 шихтовой материал опускается в плавильный тигель 10. При достижении рабочего вакуума включается ППФ 9, происходит процесс нагрева форм. Включается плавильная печь - плавильный тигель 10. По показанию приборов электрической системы управления определяется готовность выхода на рабочую температуру нагрева формы и расплава металла. Замеряется термопарой погружения температура расплава металла в плавильном тигле 10 и после этого ведется заливка металла с помощью механизма поворота 39 плавильного тигля в подогретую керамическую форму. По окончании заливки металла форма по программе с заданной скоростью опускается из ППФ 9 в жидкометаллический кристаллизатор 12, в котором установлены термопары, обеспечивающие контроль над температурой расплава алюминия. При этом при определенных технологических режимах в нужный момент времени к кристаллизатору придвигается охлаждаемый медный подъемный стол 22, который позволяет обеспечить съем тепла с кристаллизатора и избежать перегрева алюминия и его возгон в объем камеры, что позволяет вести процесс, не нарушая режима образования кристалла и увеличивая ресурс работы печи. После завершения процесса кристаллизации форма при помощи механизма вертикального перемещения 16 на маршевой скорости поднимается в ППФ 9, открывается дверь 19 ППФ 9 и механизм перемещения форм 27 по направляющим 20 перемещает блок форм в камеру шлюзовую 3, далее закрывается шиберный вакуумный затвор 29 в шлюзовой камере. Напускается воздух в камеру шлюзовую 3 - идет процесс разгерметизации, открывается крышка 26 камеры шлюзовой 3, извлекается отливка с подвеской и устанавливается новая форма с подвеской. Процесс повторяется.
Учитывая, что установка находится в одном уровне, легко и удобно проводить проверку готовности всех ее элементов.
Вакуумная индукционная плавильно-заливочная установка построена по модульному принципу; оснащена шлюзовой камерой, загрузочным устройством, механизмами горизонтального и вертикального перемещения форм, наклона тигля, технологическим вакуумным затвором, охлаждаемым медным подъемным столом. Таким образом, удалось создать вакуумную индукционную плавильно-заливочную установку со следующими основными характеристиками:
Напряжение питающей сети - 380 В;
Номинальная частота - 50 Гц;
Число фаз - 3;
Рабочая среда - вакуум;
-3
-4
Остаточное давление на снаряженной печи в рабочем цикле - от 1×10 до 2×10 мм рт. ст.;
Температура расплава не более - 1800°C;
Температура печи нагрева форм не более - 1700°C;
Диапазон скоростей нагрева форм в ППФ - 5 - 40°C/мин;
Скорость вертикального перемещения форм - 0,01-170 мм/мин;
Температура расплава алюминия в чугунной ванне не более 690-750°C;
Мощность установки
установленная 435 кВт,
потребляемая 320 кВт;