ВОДООХЛАЖДАЕМЫЙ ПЛАВИЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ
WATER-COOLED MELTING TOOL

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 (холодные тигли).
Выплавка химически активных тугоплавких материалов, в частности титановых сплавов, 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.
Водоохлаждаемый 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 водородно-воздушной смеси, т.к. титан взаимодействует с водой с ее диссоциацией и выделением свободного водорода. В крупных промышленных печах масса расплавленного металла может достигать 20 и более тонн, такая масса расплава аккумулирует огромное количество тепловой энергии и создает предпосылки для развития событий по следующему сценарию.
Попадание воды на расплавленный металл, имеющий температуру более 1700°С, сопровождается интенсивным парообразованием. Это взаимодействие может быть импульсным (паровой взрыв) или замедленным. Образовавшаяся парогазовая смесь заполняет рабочую камеру печи до момента открытия клапана, а если он не справляется, то и после. В последнем случае внутреннее давление может превысить 'прочность герметических соединений элементов печи, что приведет к разрушению наиболее слабого места и выходу смеси в защитное сооружение печи. Параллельно, с образованием пара, вода вступает в химическую реакцию с титаном с образованием свободного водорода. В начальный период исключена также термическая диссоциация пара с образованием водорода и кислорода. Т.к. вода находится под давлением 3÷5 атмосфер, печь разгерметизируется раньше чем внутреннее давление печи остановит поступление воды.
Смешивание водорода с кислородом воздуха может произойти в результате выхода водорода в защитное сооружение и втекания воздуха в рабочую камеру печи через открывшиеся проемы и отверстия, причем эти процессы могут происходить одновременно.
Источник воспламенения - расплавленный металл - всегда имеется внутри печи. Кроме того, искры от удара клапана или металлических частей при их разрушении могут воспламенить водород, выходящий из печи и распространяющийся по объему защитного сооружения с огромной скоростью. Последствия взрыва смеси кислорода и водорода по своим последствиям несравненно более тяжелые и могут привести к разрушению не только кристаллизатора, но и защитного сооружения, т.к. мощность объемного взрыва смеси водорода и кислорода трудно прогнозируема и зависит от множества факторов. Подобный взрыв в печи, предназначенной для выплавки большого объема высокореакционного металла, неизбежно приводит к крупной техногенной катастрофе с непредсказуемыми последствиями.
Известен плавильный водоохлаждаемый тигель, содержащий металлический корпус с герметичными внутренними каналами охлаждения, корпус выполнен из биметаллических плит, полученных путем сварки взрывом толстостенной медной плиты с листом нержавеющей стали толщиной 10 мм. В полученной таким образом плите посредством направленного перемещения специальной фрезы формируются каналы охлаждения змеевидной формы в плане. После формирования канала в него вставляется компенсатор и приваривается к остальному листу, а входное и выходное отверстия каналов для подсоединения трубопроводов системы охлаждения расположены в плоскости, перпендикулярной оси каналов (патент РФ №2166714) - прототип.
Недостатком данной конструкции является то, что:
- в охлаждающих каналах находится большое количество воды под давлением, которая при его прожоге непосредственно попадает в зону плавки и потенциально может привести к аварии с тяжелыми последствиями;
- тигель вместе с находящейся в нем большой массой расплавленного металла, температура плавления которого гораздо выше температуры плавления медных сплавов, из которых в большей части состоит конструкция водоохлаждаемого тигля, аккумулирует большое количество тепла, достаточное для разрушения медных конструкций в случае нарушения процесса непрерывного охлаждения плавильного инструмента.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение безопасности процесса плавки.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является недопущение непосредственного контакта воды и расплава реакционного металла в случае прожога тигля и недопущение перегрева конструкции тигля, приводящие его к разрушению при аварийном прекращении функционирования системы охлаждения.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в водоохлаждаемом плавильном инструменте, содержащем металлический корпус с внутренними герметическими каналами охлаждения, арматуру для подсоединения трубопроводов к системе водоснабжения и элементы крепежа, в каналах охлаждения дополнительно установлены трубы, которые коаксиально расположены относительно стенок каналов, по трубам подается вода, а герметичные полости между стенками каналов и трубами заполнены промежуточным теплоносителем, не образующим с расплавом взрывоопасных смесей, с возможностью его циркуляции при атмосферном давлении, кроме того, дополнительно в элементах конструкции корпуса водоохлаждаемого плавильного инструмента выполнены полости, заполненные материалом с большой удельной теплотой плавления, при этом его температура плавления ниже температуры ползучести материала, из которого изготовлен плавильный инструмент.
На чертеже показан элемент корпуса водоохлаждаемого плавильного инструмента в плане и разрез А-А.
В корпусе 1 водоохлаждаемого плавильного инструмента выполнены каналы охлаждения с коаксиально установленными в них трубами 2, которые образуют герметичную полость, по которой циркулирует вода под давлением. Вторая герметичная полость 3 образована наружными стенками трубы и внутренними каналами охлаждения, в которой при атмосферном давлении циркулирует промежуточный теплоноситель, не образующий с расплавом металла взрывоопасных смесей, в частности высокотемпературный органический теплоноситель (ВОТ), например ВОТ на основе дифенил-дифенилоксидной смеси и терфенилов.
Дополнительно в корпусе выполнены полости, заполненные материалом 4 с большой удельной теплотой плавления, например алюминий.
При прожоге тигля и поступлении в рабочую зону печи промежуточного теплоносителя выдаются команды на прекращение процесса плавки. Так как промежуточный теплоноситель не образует с расплавленным металлом взрывоопасной смеси, то происходит его испарение и давление в объеме рабочей камеры печи становится равным давлению в контуре циркуляции промежуточного теплоносителя. Утечка теплоносителя прекратится или станет минимальной. Циркуляция воды в водоохлаждаемом контуре продолжится, что гарантирует тигель от его перегрева. В случае прекращения, по каким либо причинам, циркуляции воды в водоохлаждаемом контуре, перегрев конструкции тигля предотвращает материал с большой удельной теплотой плавления, которым заполнены полости в конструкции тигля, за счет гарантированного поглощения тепла при его фазовом переходе из твердого состояния в жидкое. При этом количество материала с большой удельной теплотой плавления принимается такое, которое гарантирует отбор тепла, позволяющее не превысить температуры тигля выше температуры ползучести материала, из которого изготовлен плавильный инструмент (например, медные сплавы).
Предлагаемая конструкция водоохлаждаемого плавильного инструмента обеспечивает безопасную эксплуатацию плавильного оборудования.