УСТАНОВКА ДЛЯ ПЛАВЛЕНИЯ, ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И РАЗЛИВКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ

Полезная модель относится к литейному производству и может быть использована, например, для закрытой плавки, транспортировки и разливки цветных металлов и их сплавов, в частности, для приготовления и разливки оловянистой бронзы при ремонте и восстановлении подшипников скольжения.
Известен лабиринтно-винтовой насос для перекачки расплавленного металла (пат. РФ №2311562, заявл. 28.03.2006, опубл. 27.11.2007, бюл. №33). Однако известный насос используется лишь для перекачки расплава и не связан с операциями плавления, перемешивания и печью плавления.
Известна механизированная бесструйная закрытая установка транспортировки и разливки легких металлов и их сплавов, включающая тигельную печь, электродвигатель, крепежное приспособление (для крепления электродвигателя к крышке печи), погружной центробежный насос, трубопровод, соединенный с выходом насоса (Астаулов B.C. Механизированная бесструйная закрытая транспортировка и разливка легких металлов и их сплавов // Цветные металлы. - 1963. - №4. - С.69-76). Установка позволяет транспортировать жидкий магний по закрытому трубопроводу.
К недостаткам центробежного насоса, используемого в указанной установке, следует отнести ограниченность его применения в области малых подач из-за снижения КПД насоса, что является важным для точного дозирования расплава металла, например, при ремонте подшипников.
Значительные вибрации вала и корпуса насоса, связанные с конструктивными особенностями центробежного насоса и механизма крепления приводят к снижению усталостной прочности вала и уменьшению ресурса и надежности работы установки в целом.
Кроме того, из-за отсутствия перемешивания расплава качество получаемого сплава - низкое. В известной установке центробежный насос можно использовать для перемешивания только после отсоединения его от трубопровода и установки специального патрубка на выходе насоса.
Наиболее близким техническим решением является установка для плавления, транспортирования и разливки цветных металлов и их сплавов, включающая тигельную печь, оснащенную погружным шестеренным насосом с
электродвигателем, и трубопровод, соединенный с выходом насоса, в котором в качестве уплотнителя вала установлен металлографитовый сальник, причем трубопровод, соединенный с выходом насоса, имеет специальное отверстие (пат. РФ №73809, опубл. 10.06.2008). Наличие специального отверстия в трубопроводе обеспечивает перемешивание расплава при холостом режиме работы насоса и способствует быстрой остановке потока расплава, что увеличивает точность дозирования. Между насосом и электродвигателем расположена крыльчатка на одном валу с ними. Насос и электродвигатель установлены на раме, прикрепленной к корпусу печи.
Однако шестеренный насос, используемый в известном устройстве, имеет ряд недостатков. Неполное заполнение рабочих камер (впадин между зубьями) расплавом приводит к понижению объемного к.п.д. насоса, а также к возникновению пульсаций давления на выходе, которые обусловлены тем, что при соединении такой камеры с полостью нагнетания возникает обратный поток расплава из полости в камеру, который вызывает гидравлический удар. Давление расплава в рабочей камере насоса при этих ударах может значительно превышать (в 2 раза и более) рабочее давление, в результате чего насос может выйти из строя (Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. Учебник для вузов. - М.: Машиностроение. - 1974. - С.321). Эти недостатки приводят к уменьшению ресурса и надежности работы установки в целом.
Известная установка предназначена для плавления баббита (температура разливки 380-500°С), а при более высокой температуре (температура литья бронзы 1100-1150°С) из-за конструктивных особенностей шестеренного насоса установка имеет низкую надежность. Это связано с температурной деформацией зубьев шестерни и втулки: при дефектах профиля зубьев по линии контакта зубьев, находящихся в зацеплении, происходят значительные утечки жидкости (там же, С.320).
Кроме того, фактическая подача шестеренного насоса зависит от плохо управляемых параметров (объемных потерь, перепада давления в рабочих камерах), что негативно сказывается на точном дозировании расплава.
Решаемая задача и ожидаемый технический результат заключаются в повышении эффективности установки для плавления, транспортирования и разливки цветных металлов и их сплавов за счет повышения ресурса и надежности работы установки, в том числе и при повышенных температурах литья, повышения точности
дозирования расплава, повышения качества получаемого сплава благодаря обеспечению лучшего перемешивания расплава.
Поставленная задача решается тем, что установка для плавления, транспортирования и разливки цветных металлов и их сплавов, включающая тигельную печь, оснащенную погружным насосом с электродвигателем, трубопровод, соединенный с выходом насоса, и отверстие, отличается тем, что в качестве погружного насоса использован винтовой насос, а отверстие в корпусе насоса, через которое корпус насоса дополнительно сообщается с тигельной печью, расположено в верхней части корпуса насоса ниже уровня расплава в печи.
Тигельная печь оснащена рамой, прикрепленной к корпусу печи, на раме установлены винтовой насос с электродвигателем; крышка печи имеет несъемную часть, над которой расположены электродвигатель и выходящая из печи часть трубопровода.
На фиг.1 представлено заявляемое устройство. Здесь:
1. Электродвигатель.
2. Соединительный вал.
3. Насос винтовой.
4. Крышка тигельной печи.
5. Трубопровод.
6. Тигельная печь.
7. Трубчатые электронагреватели (ТЭН).
8. Футеровка.
9. Отверстие в корпусе насоса винтового, через которое корпус насоса дополнительно сообщается с тигельной печью.
10. Корпус насоса винтового.
11. Всасывающее отверстие в корпусе насоса винтового
12. Нагнетающее отверстие в корпусе насоса винтового.
13. Крыльчатка.
Заявляемое устройство содержит тигельную печь 6, оснащенную погружным винтовым насосом 3 с электродвигателем 1 (реверсивный); соединительный вал 2 соединяет вал погружного винтового насоса 3 с валом электродвигателя 1. Соединительный вал 2 установлен в подшипниковом узле. На соединительном валу 2 расположена крыльчатка 13, имеющая лопасти, например, треугольной формы. Крыльчатка 13 с лопастями играет роль миксера. Насос 3 и электродвигатель 1
установлены на раме, прикрепленной к корпусу печи 6. Сверху тигельная печь 6 закрыта крышкой 4 с несъемной частью, над которой установлены электродвигатель 1 и выходящая из печи 6 часть трубопровода 5.
В качестве печи 6 использована тигельная печь сопротивления, нагрев печи 6 происходит с помощью трубчатых электронагревателей (ТЭН) 7, расположенных снаружи по боковой поверхности тигельной печи 6. Печь 6 и крышка 4 имеют теплоизоляцию (футеровку) 8. Суммарная мощность ТЭН - 24 кВт. Вместимость тигельной печи 6 - около 22 л.
В качестве уплотнителя вала насоса установлен металлографитовый сальник.
Принцип действия винтового насоса 3 основан на плотном контакте профильного винтового ротора с обоймой корпуса 10. При вращении ротора между его поверхностью и внутренней винтовой поверхностью обоймы образуются замкнутые камеры, объем которых при вращении насоса 3 непрерывно изменяется. При этом происходит непрерывное вытеснение расплава.
Достоинствами винтовых насосов являются компактность, простота конструкции. В винтовых насосах подача расплава происходит равномерно, практически без пульсаций при достаточно высоких давлениях и скоростях (Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. Учебник для вузов. - М.: Машиностроение. - 1974. - С.353, 360). Это оказывается существенным фактором для точного дозирования расплава металла, повышения ресурса и надежности работы установки.
Материал рабочих деталей насоса 3 - высокожаропрочная сталь. В винтовом насосе 3 количество мест перекрытия выступом одного винта впадины другого, парного винта больше, а, соответственно, больше количество замкнутых камер по сравнению с прототипом. В связи с этим, имеющие место при повышенных температурах (температура литья бронзы составляет 1100-1150°С) температурные деформации деталей винтового насоса 3 в меньшей степени влияют на утечку расплава, что повышает надежность работы винтового насоса 3 при повышенных температурах.
Вал насоса 3, соединенный с реверсивным электродвигателем 1, имеет возможность вращаться в противоположные стороны. В одном случае насос 3 работает в качестве насоса и происходит подача расплава в трубопровод 5 (рабочий режим подачи расплава), в другом случае подачи расплава в трубопровод 5 из насоса 3 не происходит, т.е. насос 3 работает вхолостую (холостой режим) и выполняет функцию перемешивания. Отверстие 9 в корпусе 10 насоса 3, через которое корпус 10
насоса 3 дополнительно сообщается с тигельной печью 6, расположено в верхней части корпуса 10 ниже уровня расплава в печи 6. Расположение отверстия 9 в верхней части корпуса 10 насоса 3 способствует лучшему перемешиванию расплава по сравнению с прототипом в связи с тем, что увеличивается поток расплава через него при холостом режиме работы насоса 3
Температура внутри тигельной печи 6 измеряется с помощью пирометра или термопары.
Электродвигатель 1 и насос 3, закрепленные на раме, образуют моноблок единую жесткую систему, в связи с этим вибрации отдельных узлов и деталей моноблока снижаются дополнительно и повышается их сопротивление усталости, что также обеспечивает дополнительное увеличение ресурса и надежности установки в целом.
Наличие составной крышки 4 с несъемной частью, над которой установлены электродвигатель 1 и выходящая из печи часть трубопровода 5 упрощает эксплуатацию установки.
Предлагаемая установка для плавления, транспортирования и разливки цветных металлов и их сплавов работает следующим образом.
В тигельную печь 6 загружается сырье - предварительно подсушенные чушки бронзы (ГОСТ 613-79).
Тигельная печь 6 вместе с загруженным сырьем, насосом 3, находящимся внутри тигельной печи 6, нагревается до температуры литья, которая для разных марок сплава различна (табл.1). Например, для бронзы БрО5Ц5С5 температура плавления составляет 915°С, температура литья соответственно 1150°С.
Таблица 1
Марка сплава
БрО5Ц5C5
БрО6Ц6С3
БрО8Ц4
БрО10Ф1
Температура, C° плавления литья
915
967
1010
934
1150
1150
1100-1150
1150
При этом корпус 10 насоса 3 и тигельная печь 6 представляют собой сообщающиеся сосуды и уровень жидкого металла в них одинаков.
После достижения заданной температуры литья включается реверсивный электродвигатель 1, приводящий в движение вал насоса 3, причем направление вращения вала должно соответствовать холостому режиму, когда расплав в насосе 3 движется вниз. Забор расплава происходит через отверстие 9 в корпусе 10 насоса 3. При этом движение расплава происходит по маршруту: тигельная печь 6 - отверстие 9 - насос 3 - всасывающее отверстие 11 насоса 3 - тигельная печь 6, т.е. насос 3 работает вхолостую. При холостом режиме насос 3 выполняет функцию перемешивания расплава. Вращаясь вместе с соединительным валом 2, лопасти крыльчатки 13 также перемешивают расплав, причем, как при рабочем, так и при холостом режимах работы установки. Таким образом, обеспечивается непрерывное перемешивание расплава и высокое качество получаемого сплава.
После тщательного перемешивания и получения необходимого состава расплава направление вращения вала насоса 3 меняется на противоположное, соответствующее рабочему режиму. Расплав через всасывающее отверстие 11 поступает внутрь насоса 3 под действием гидростатического давления жидкого сплава в тигельной печи 6. При вращении ротора насоса 3 расплав получает приращение кинетической энергии и движется по винтовым каналам обоймы вверх от всасывающего отверстии 11 к нагнетающему отверстию 12. В рабочем режиме движение расплава происходит по маршруту: тигельная печь 6 - всасывающее отверстие 11 - насос 3 - нагнетающее отверстие 12 - трубопровод 5. Происходит подача расплава в трубопровод 5, далее в заливочные центрифуги или заливочные формы.
Дозирование подаваемого сплава в трубопровод 5 и далее в заливочные центрифуги или заливочные формы происходит за счет регулирования времени работы электродвигателя 1, при остановке которого насос 3 прекращает подачу расплава в трубопровод 5. Наличие отверстия 9 в корпусе 10 насоса 3 способствует быстрой остановке потока расплава, что увеличивает точность дозирования. Отверстие 9 в верхней части корпуса 10 насоса 3 способствует более быстрому гашению гидравлического удара при остановке насоса, чем специальное отверстие в трубопроводе по прототипу, расположенное на удалении от шестеренного насоса.
Таким образом, повышается эффективность установки для плавления, транспортирования и разливки цветных металлов и их сплавов, включая более высокоплавкие, за счет повышения ресурса и надежности работы установки, повышения точности дозирования расплава, повышения качества получаемого сплава благодаря обеспечению лучшего перемешивания расплава.