УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ГЕНЕРАТОРА ПАРА МЕТАЛЛА
DEVICE FOR AUTOMATIC SUPPLY OF INDUSTRIAL METAL VAPOUR GENERATOR

Предмет изобретения
[0001] Изобретение относится к устройству автоматического питания промышленного генератора пара жидким металлом. Такой генератор пара используется для непрерывного вакуумного покрытия движущейся металлической полосы с использованием пара металла для формирования на ее поверхности слоя металла, предпочтительно металлического сплава, с целью придания ей исключительно высокой коррозионной стойкости с сохранением в то же время способности к штамповке и свариваемости.
[0002] Изобретение является продолжением более ранних заявок EP 1972699 и EP 2048261, относящихся к генераторам паров металлов с использованием метода струйного осаждения пара или JVD (от английских слов Jet Vapor Deposition, «струйное осаждение пара»). Если говорить конкретнее, в документе EP 1972699 описаны способ и система для покрытия методом JVD, где подача пара осуществляется с помощью печи и испарительного тигля, которые соединены друг с другом питающими и возвратными трубопроводами, с обеспечением осаждения металлических сплавов. В документе EP 2048261 раскрыт генератор пара, содержащий печь и испарительный тигель, которые соединены друг с другом питающим трубопроводом, а также средства регулировки расхода, давления и/или скорости пара металла в зоне головки для осаждения методом JVD. Известна также описанная в документе WO 2005/116290 установка для вакуумного осаждения из паровой фазы, содержащая плавильный тигель и по меньшей мере один испарительный тигель, соединенные друг с другом нагретым трубопроводом. Эта установка снабжена магнитогидродинамической системой, обеспечивающей поддержание постоянного уровня расплавленного металла в испарительном тигле.
Предпосылки создания изобретения и предшествующий уровень техники
[0003] Как следует из предшествующих заявок, генерация пара происходит на выходе тигля с индукционным нагревом. Подводимая энергия, за вычетом потерь, соответствует молярному объему испарения. Имеющая здесь место корреляция является абсолютно линейной.
[0004] В рассматриваемый генератор пара должен подаваться металл для компенсации испаренных объемов. Изучив ряд различных вариантов питания, выбрали питание жидким металлом. Это вызвано тем, что в непрерывной промышленной технологической линии питание должно быть автоматическим. Что касается линий, используемых в черной металлургии для получения магниевых или цинковых покрытий, то здесь для осаждения на полосу требуются сотни килограммов, если не тонны металла в час. Подача металла в тигель непосредственно в твердой форме (в виде проволоки, гранул, слитков и т.п.) невозможна, так как для этого потребовалось бы использование, например, слишком сложной системы затворов с вакуумными камерами. В случае применения рассматриваемой технологии в тигель подают жидкий металл, закачиваемый в трубопровод из плавильной печи, которая расположена ниже уровня тигля и находится под атмосферным давлением.
[0005] Кроме того, в тигле будет иметь место испарение лишь тех видов, у которых оно возможно при определенном давлении насыщающего пара, тогда как остальные виды будут оставаться и скапливаться в тигле. Иначе говоря, налицо своего рода дистилляция. Таким образом, в тигле будут скапливаться все неиспаряющиеся или трудно испаряющиеся примеси, содержащиеся в основном металле (который, учитывая ограничения по стоимости, не может быть стопроцентно чистым). Их концентрация будет нарастать вплоть до того, что станет затруднять испарение и даже препятствовать ему, поэтому такие примеси должны периодически или постоянно удаляться.
[0006] В число веществ, которые могут скапливаться в испарительном тигле, входят, в частности, оксиды основного металла. Их источником служит, в основном, припой, который закупают в слитках, наружная поверхность которых оксидирована. Как показало цифровое моделирование, выполненное на промышленном опытном образце с умеренной испарительной способностью, коэффициент концентрации примесей может достигать 10%, причем после 40 часов работы и применительно к основному металлу (магний) с чистотой 99,8%. Присутствующие оксиды могут либо отстаиваться либо плавать на поверхности вследствие их отделения от основного металла посредством сегрегации. При использовании второго режима отделения они могут оказывать сильное влияние на процесс испарения.
[0007] Таким образом, при использовании генераторов пара подобного типа возникают следующие проблемы или накладываются следующие требования:
- запуск установки, когда испарительный тигель пуст;
- затруднение испарения металла в трубопроводе, ведущем к вакуумной напыляющей головки, при утечке через парораспределительный клапан при включении. Подобные утечки крайне вредны, поскольку они приводят к статическим осаждениям (в форме валиков) на полосе в режиме ожидания; кроме того, для оптимизации интенсивности испарения и уменьшения значительного количества энергии, потребляемой металлом (скрытой теплоты испарения), требуется довольно большая дополнительная мощность; для предотвращения охлаждения жидкого металла пришлось бы предусматривать значительную мощность по всей длине жидкостных трубопроводов, что оказывается технически неосуществимым, если учесть требуемую плотность мощности на единицу площади;
- запуск плавильной печи и затруднения в испарении металла под действием вакуума;
- предотвращение формирования твердой пробки на свободной поверхности печи и в трубопроводах, возникающей вследствие испарения и способной воспрепятствовать превращению в жидкую форму и питанию тигля;
- предотвращение затвердевания металла в питающем трубопроводе, которое было бы в противном случае чревато при переплавке разрывом трубопровода под действием расширения металла;
- слив из трубопроводов с жидким металлом для предотвращения возникновения вышеупомянутых ситуаций и получения возможности демонтажа трубопроводов с целью проведения работ по техобслуживанию;
- ввод в действие плавильной печи, что требует более чем 10-часового нагрева без необходимости при этом нагревать всю остальную часть установки или создавать вакуум; это объясняется тем, что необходимый нагрев остальной части установки для предотвращения конденсации паров на холодной стенке занимает гораздо меньше времени (например, 2 часа);
- обеспечение возможности затвердевания в трубопроводах без их поломки.
Задачи и цели изобретения
[0008] Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков, свойственных конструкциям, известным из предшествующего уровня техники.
[0009] Изобретение направлено на обеспечение питания испарительного тигля от плавильной печи с возможностью в то же время рециркуляции жидкого металла и с соблюдением оптимальных условий безопасности и качества.
[0010] Другая задача изобретения состоит в запуске на первом этапе плавильной печи без необходимости создания вакуума или нагрева остальной части установки, которая предназначена для осуществления испарения.
[0011] Еще одна задача - обеспечение беспрепятственных включения и выключения установки.
[0012] Следующая задача - обеспечение возможности затвердевания жидкого металла без формирования твердой пробки на свободной поверхности печи или в питающих трубопроводах, что могло бы привести к их поломке в процессе переплавки вследствие расширения металла.
Сущность изобретения
[0013] Предметом изобретения является установка для непрерывного вакуумного осаждения металлического покрытия на движущуюся подложку, содержащая камеру вакуумного осаждения, по меньшей мере одну головку для нанесения покрытия путем звукового струйного осаждения пара, соединенную с испарительным тиглем, содержащим металл покрытия в жидкой форме, с помощью трубопровода для питания паром, снабженного распределительным клапаном, и печь для плавления указанного металла, причем указанная печь находится под атмосферным давлением, расположена ниже уровня самой низкой части испарительного тигля и соединена с испарительным тиглем по меньшей мере одним трубопроводом для автоматического питания испарительного тигля, снабженным питающим насосом, и по меньшей мере одним трубопроводом для возврата жидкого металла, факультативно снабженным клапаном, причем дополнительно предусмотрены средства регулирования питающего насоса, обеспечивающие регулирование определенного уровня жидкого металла в испарительном тигле, при этом установка содержит имеющуюся в каждом из указанных трубопроводов питания и возврата зону, называемую термоклапаном, которая снабжена устройством нагрева и устройством охлаждения для получения регулируемой температуры, независимой от температуры плавильной печи, от температуры в остальной части указанных трубопроводов и в испарительном тигле, с целью расплавления или отверждения металла, находящегося в этом месте.
[0014] В рамках настоящего изобретения предусмотрено также использование способа звукового струйного осаждения пара типа, описанного, в частности, в патенте ЕР 909342.
[0015] В соответствии с отдельными вариантами осуществления изобретения, установка дополнительно характеризуется одним из нижеследующих признаков или их соответствующей комбинацией:
- установка содержит средства, обеспечивающие локализованную генерацию пара металла между печью и напыляющей головкой;
- установка содержит устройство для удержания жидкого металла, находящегося на дне испарительного тигля, с целью локализованной генерации пара металла;
- установка содержит дополнительный тигель, соединенный с трубопроводом для питания паром, с целью локализованной генерации пара металла;
- указанный(ые) термоклапан(ы) образован(ы) двойной оболочкой, в которой осуществляется охлаждение посредством инжекции и циркуляции хладагента;
- трубопровод питания снабжен перепускным клапаном, обеспечивающим возможность использования трубопровода питания в качестве сливной трубы;
- указанные трубопроводы выполнены из двух материалов, причем внутренний объем образован бесшовной трубой из низкоуглеродистой стали, графита или сиалона, покрытой или защищенной снаружи нержавеющей сталью;
- трубы помещены во вторую металлическую оболочку в форме сильфона; соединение между плавильной печью и испарительным тиглем обеспечивается с помощью жесткого эталонного стержня, а трубопроводы выполнены в форме лиры;
трубопроводы соединены друг с другом, а также с печью и испарительным тиглем с помощью металлических фланцев, причем вакуумная герметизация достигается путем наложения надувного металлического уплотнения и графитового уплотнения;
- испарительный тигель сообщается с устройством для распределения инертного газа с целью проталкивания жидкого металла благодаря создаваемому им давлению, в плавильную печь.
[0016] Предметом изобретения является также способ запуска установки типа, описанной выше, в соответствии с которым:
- начинают плавление металла в печи с поддерживанием металла в твердом состоянии в зонах термоклапанов трубопровода питания для автоматического питания испарительного тигля и трубопроводов возврата для возврата жидкого металла;
- нагревают указанную установку до температуры, необходимой для приема жидкого металла и/или пара металла, закрывают распределительный клапан трубопровода питания и создают вакуум в камере осаждения;
- активируют средства, обеспечивающие локализованную генерацию пара металла, при температуре, превышающей температуру жидкого металла в процессе осаждения;
- расплавляют затвердевший металл, находящийся в зонах термоклапанов;
- затем заполняют испарительный тигель с помощью питающего насоса, открывают распределительный клапан трубопровода питания и начинают осаждать металл на указанную движущуюся подложку.
[0017] Целесообразно, чтобы высота испарительного тигля относительно плавильной печи была задана таким образом, чтобы свободная поверхность жидкого металла в трубопроводе питания располагалась под тиглем, когда в установке создан вакуум, при этом питающий насос не работает.
[0018] Наконец, изобретение касается способа использования установки типа описанной выше, в соответствии с которым подложка представляет собой металлическую полосу, а в качестве металлического покрытия наносят магний или цинк.
Краткое описание чертежей
[0019] Фиг.1 представляет собой схематический вид промышленного генератора пара металла согласно изобретению.
[0020] Фиг.2 - схематическая иллюстрация одного из вариантов выполнения плавильной печи, входящей в состав указанного генератора.
[0021] Фиг.3 - схематическая иллюстрация одного из вариантов выполнения испарительного тигля, входящего в состав указанного генератора.
[0022] Фиг.4 - вид в разрезе, иллюстрирующий пример выполнения трубопровода, рассчитанного на подачу жидкого магния.
Описание отдельных предпочтительных вариантов осуществления изобретения
[0023] Монтаж и эксплуатация установки могут быть организованы различными способами. Ниже будем ссылаться на фиг.1 и 3, с помощью которых описывается один из предпочтительных вариантов выполнения установки для осаждения магния или цинка на непрерывно движущуюся стальную полосу. Итак, эта установка включает в себя генератор пара, снабженный по меньшей мере одним испарительным тиглем 9, который нагревается посредством индукции и получает питание от плавильной печи 1. Между плавильной печью и испарительным тиглем находятся трубопроводы 8, 8A, 18, обеспечивающие помимо пополнения тигля 9 подлежащим испарению металлом 2 непрерывную или прерывистую рециркуляцию между упомянутыми двумя узлами установки, то есть плавильной печью 1 и испарительным тиглем 9. Указанный испарительный тигель соединен с напыляющей головкой с помощью трубопровода 20 для питания паром, снабженного по меньшей мере одним парораспределительным клапаном 19, с помощью которого обеспечивается изоляция испарительного тигля от камеры 24 вакуумного осаждения.
[0024] В показанную на фиг.2 плавильную печь 1 подается твердый металл, например, в форме слитков 33, 34 через устройство 31, 32 автоматического питания с предварительным нагревом слитков для предотвращения попадания влаги в печь.
[0025] Производительность плавильной печи 1 (в кг/ч) предпочтительно должна превышать массовый расход испарительного тигля 9, при этом соотношение производительности печи и расхода испарителя предпочтительно должно находиться в пределах от 2 до 25, а еще предпочтительнее - от 10 до 25. В этом случае удастся обеспечить исключительно высокую равномерность по температуре даже при плавлении одного или нескольких новых слитков 34. Можно, например, выбрать производительность, равную 800 кг/ч, при потребности в зоне испарения, равной 50-100 кг/ч.
3
[0026] Кроме того, емкость плавильной печи 1 (в м или кг) предпочтительно должна превышать емкость испарительного тигля 9 и соответственно быть достаточно большой по сравнению с расходом рециркуляции. Соотношение емкости плавильной печи и емкости тигля должно предпочтительно составлять от 2 до 10, а еще предпочтительнее - от 5 до 10. Для рассматриваемого здесь опытного образца, например, была выбрана печь емкостью 800 кг при емкости испарительного тигля 250 кг.
[0027] Тот факт, что емкость плавильной печи больше емкости испарительного тигля и расхода рециркуляции, означает, что в этой печи нет (или практически нет) перемешивания. Следовательно, имеет место сегрегация примесей, а также декантация или флотация. Дно и поверхность находящегося в печи жидкого металла можно регулярно очищать для удаления примесей, поступающих вместе со слитками, и оксидов, вырабатывающихся при расплавлении этих слитков. В этих случаях следует предпочтительно выполнить откачку в удаленную зону поверхности или дна, с тем чтобы в испарительный тигель поступал относительно чистый металл с минимально возможным количеством загрязнителей.
[0028] В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления для плавильной печи 1 предусматривают различные режимы нагрева в зависимости от уровня ее заполнения:
- если печь заполнена до конца (и, следовательно, испарительный тигель пуст), ее нагревают по всей ее высоте;
если печь заполнена не до конца (и, следовательно, испарительный тигель заполнен), то ее нагревают по всей высоте заполнения, тогда как в верхней части просто поддерживают нужную температуру.
[0029] Таким образом, в плавильной печи следует различать два уровня: уровень максимального заполнения и промежуточный уровень, то есть уровень, получаемый посредством вычитания из первого уровня объема, содержащегося в испарительном тигле. Это означает, что автоматические и неавтоматические добавления слитков необходимо производить с учетом того или иного уровня и соответственно рабочего состояния установки. С помощью предусмотренных в печи датчиков уровня 29, 30 можно управлять обоими указанными уровнями в зависимости от того, полон или пуст испарительный тигель.
[0030] Следует также иметь в виду, что в плавильной печи 1 есть место для металла, находящегося в испарительном тигле 9, что позволяет выполнить опустошение этого тигля.
[0031] Как было показано ранее, установка согласно изобретению содержит испарительный тигель 9, который изготавливают из материала, подбираемого в зависимости от вида помещаемого в него жидкого металла. В случае с магнием можно применить, например, тигель из нержавеющей стали, а при работе с цинком тигель может быть изготовлен из какого-либо совместимого с ним материала типа графита, сиалонов (SiAlON, или оксинитрид алюминия-кремния) и т.п. Этот тигель нагревается, например, с помощью специального индукционного устройства 42 и может включать в себя согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения средства для измерения уровня жидкого металла с помощью высокочастотных электромагнитных зондов 39, 40, 41, выбираемых с таким расчетом, чтобы получить частоту, отличную от частоты указанного устройства 42 индукционного нагрева.
[0032] В соответствии с изобретением испарительный тигель 9 соединен с печью 1 с помощью по меньшей мере одного металлического трубопровода питания 8 и по меньшей мере одного возвратного трубопровода 8A, 18, обеспечивающего возможность рециркуляции жидкого металла (см. фиг.1). Благодаря использованию этой рециркуляции между печью 1 и испарительным тиглем 9 удается снизить содержание остаточных примесей до величины порядка 2% при рециркуляции, составляющей несколько процентов от расхода питания. Таким образом, удаление примесей посредством рециркуляции позволяет создать оборудование, которое сможет функционировать круглые сутки без перерыва, обеспечивая очистку испарительного тигля.
[0033] Трубопровод питания 8 служит для транспортирования жидкого металла из печи 1 в испарительный тигель 9. Он снабжен питающим насосом 6, скорость которого регулируется при вращении таким образом, чтобы обеспечить получение расхода, который позволит достичь, а затем поддерживать требуемый уровень. Для того чтобы можно было опустошить тигель 9 как можно быстрее, на выходе питающего насоса 6 предпочтительно монтируют клапан 14, позволяющий использовать указанный трубопровод питания 8 в качестве сливной трубы.
[0034] Возвратный(ые) трубопровод(ы) 8A, 18 служит для транспортирования жидкого металла из испарительного тигля 9 в печь 1. Этот трубопровод может быть снабжен смонтированным на его конце возвратным клапаном 16, 17. Этот опциональный клапан в процессе опустошения тигля полностью открыт. При заполнении он полностью закрывается, чтобы свести продолжительность этого процесса к минимуму. При осаждении покрытия этот клапан частично открывается, что позволяет получить расход утечки, служащий в качестве расхода рециркуляции. Этот расход регулируют при каждом вводе в действие путем измерения скорости опустошения и подстройки положения клапана.
[0035] В качестве одного из конкретных типов возвратного трубопровода можно использовать переливную трубу 8A, что позволит зафиксировать максимальный уровень жидкого металла в печи. Если имеет место чрезмерное повышение уровня в тигле 9 из-за возникновения каких-либо проблем с измерением или управлением (например, с надежностью измерения уровня), то избыток жидкого металла можно безопасно перенаправить к плавильной печи 1 через указанный трубопровод.
[0036] Другой тип возвратного трубопровода - рециркуляционный трубопровод 18, с помощью которого можно добиться непрерывной или прерывистой циркуляции жидкого металла в случае необходимости регулирования уровней.
[0037] В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления установка содержит два возвратных трубопровода 8A, 18, первый из которых представляет собой переливную трубу, а второй - рециркуляционный трубопровод, при этом каждый из этих трубопроводов может быть снабжен соответствующим клапаном 16, 17.
[0038] Каждый из упомянутых ранее клапанов 14, 16, 17 погружен в расплав магния, чтобы защитить его от воздействия воздуха и предотвратить его окисление, сохраняя тем самым его свойства, характеристики и чистоту. Для обеспечения возможности работы с этими клапанами необходимо расплавить металл и вынуть клапан из жидкого металла (проставленные на чертежах позиции 14, 16 и 17 служат, собственно говоря, для обозначения механизмов управления этими клапанами).
[0039] Как уже говорилось выше, наличие переливного трубопровода 8A не является обязательным. Действительно, можно предусмотреть такое регулирование, при котором расход задают через скорость питающего насоса 6, а уровень жидкого металла поддерживают посредством раскрытия возвратного клапана 17. Таким образом, установка, выполненная в соответствии с этим вариантом осуществления, будет включать в себя только трубопровод питания и трубопровод рециркуляции.
[0040] Можно также обойтись без трубопровода рециркуляции 18, оставив только трубопровод питания 8 и переливной трубопровод 8A. При этом для испарительного тигля 9 уже не потребуется использования датчика уровня 40, а нужен будет лишь питающий насос 6 с вариатором частоты. В зависимости от частоты можно управлять расходом рециркуляции, а уровень соответствует переполнению. Заполнение и слив осуществляют по тому же трубопроводу питания 8, который снабжен питающим насосом 6.
[0041] Наконец, регулирование можно также осуществлять не с помощью вариатора частоты и, следовательно, скорости вращения питающего насоса 6, а с помощью расхода утечки, благодаря чему часть потока, создаваемого этим насосом, сможет оставаться в печи благодаря открыванию клапана 14.
[0042] Вид материала, из которого должны изготавливаться различные трубопроводы, используемые в предлагаемой установке, выбирают, исходя из природы подлежащего испарению металла и из конкретной принятой технологии.
[0043] Материал трубопровода должен соответствовать виду жидкого металла, который будет по нему циркулировать, во всем предполагаемом диапазоне температур. Кроме того, трубопровод должен обладать достаточной механической прочностью и быть вакуумплотным. Он должен также сохранять достаточно хорошие механические свойства даже при высоких температурах, а его наружная поверхность должна быть стойкой к коррозии, возникающей из за действия окружающего воздуха с очень высокой температурой.
[0044] В случае использования магниевого покрытия можно выбрать трубопровод из двух материалов (см. фиг.4). Внутренняя часть образована бесшовной трубой C из мягкой котельной стали. Дело в том, что трубы подобного типа особо пригодны в таких ситуациях, поскольку железо с очень большим трудом растворяется в жидком магнии (порядка нескольких частей на миллион). Наружная часть B выполнена из инконеля. Нержавеющий сплав этого типа наносят посредством расплавления на трубу С из низкоуглеродистой стали перед переплавкой. Для ограничения механических напряжений добавлен исключительно твердый эталонный стержень (не показан), который обеспечивает соединение между плавильной печью и испарительным тиглем. Он расширяется подобно трубам, обеспечивая при этом восприятие основных механических нагрузок. Для того чтобы можно было работать с дифференциальными расширениями при незначительных температурных различиях между трубами, обусловленных недостаточно равномерным нагревом, каждая из труб выполнена в форме лиры (см. фиг.1). В опытной установке совокупное расширение, необходимое для достижения технологической температуры 700°C в случае использования магния, составило более 65 мм, тогда как лиры могли выдержать лишь дифференциальное расширение порядка нескольких миллиметров. Поэтому трубы были скреплены друг с другом, а также с тиглем и с плавильной печью с помощью специальных инконелевых фланцев (не показаны). Вакуумная герметизация достигалась путем наложения надувного металлического уплотнения, к которому добавляли графитовое уплотнение.
[0045] Наконец, трубы были помещены, опять же по соображениям безопасности, во вторую металлическую оболочку A, выполненную в форме сильфона (фиг.4). Эта вторая оболочка, обладающая незначительной механической прочностью, позволяет проверять герметичность трубы при каждом вводе в действие и может служить в качестве временного резервуара на случай разрыва трубы или утечки из нее только на то время, чтобы опустошить установку и создать для нее безопасные условия. В случае же использования цинкового покрытия совместимый материал надо будет тоже поместить в двойную оболочку, в которую можно будет согласно одному из предпочтительных технических решений закачать какую-либо защищенную среду или в которой можно будет создать вакуум для защиты материалов типа графита от высоких температур.
[0046] Плавильная печь 1 расположена на уровне ниже испарительного тигля 9. Благодаря действию вакуума, создаваемого в установке, будут происходить закачка жидкого металла и генерация второй свободной поверхности на уровне, отличном от уровня в плавильной печи. Это выражается в формировании поверхности испарения на высоте, отличной от высоты в печи. Такое различие в высоте определяется двумя основными характеристиками, а именно плотностью металла, которая зависит также от его температуры, и атмосферным давлением. Даже если клапан 7 в трубопроводе 8 не является идеально герметичным, одной только силы тяжести будет достаточно для того, чтобы воспрепятствовать вакуумному заполнению установки.
[0047] Ниже мы приводим некоторые числовые значения, позволяющие проиллюстрировать сказанное применительно к атмосферному давлению в 1000 мбар. Высота напора при давлении в один бар составляет 10,33, деленные на плотность металла (1 бар = 10,33 метра водяного столба).
3
Плотность твердого магния: 1,74 кг/дм.
Соответствующая высота напора: 5,93 м.
3
Плотность жидкого магния при температуре 600°C: 1,59 кг/дм.
Соответствующая высота напора: 6,50 м.
3
Плотность жидкого магния при температуре 700°C: 1,56 кг/дм.
Соответствующая высота напора: 6,62 м.
3
Плотность твердого цинка: 7,18 кг/дм.
Соответствующая высота напора: 1,44 м.
[0048] Таким образом, можно видеть, что у разных металлов высота между свободными поверхностями и, следовательно, между узлами оборудования может сильно различаться, - например в случае с цинком и магнием действует коэффициент 4,5.
[0049] Можно также сделать вывод, что в зависимости от принятой температуры процесса высота также может меняться довольно сильно, например, для магния на несколько мм при переходе от 660°C к 700°C.
[0050] Заметное влияние оказывает также атмосферное давление, поскольку оно выражается в усилии, которое будет действовать на свободную поверхность плавильной печи, тогда как вакуум остается на уровне абсолютного значения. Изменение атмосферного давления порядка 50 мбар, которое является довольно распространенным явлением, может послужить причиной различия, равного более 70 мм, в высоте в испарительном тигле или в трубопроводах в случае с цинком и более 300 мм в случае с магнием.
[0051] С учетом сказанного, авторы изобретения выбрали испарительный тигель, расположенный на высоте, при которой разрежение, создаваемое благодаря вакуумированию, не приводит к его заполнению вне зависимости от величины атмосферного давления. При создании вакуума предпочтительно, чтобы расплавленный металл мог подниматься в трубопроводах питания 8 и трубопроводах возврата 18, 8A лишь на уровень в несколько десятков сантиметров под испарительным тиглем 9. После этого испарительный тигель 9 будет заполняться под действием давления, создаваемого питающим насосом 6, до необходимого заданного уровня, что позволит добиться испарения металла в оптимальных условиях. Благодаря такому подходу удается существенно повысить безопасность предлагаемой установки. Это связано с тем, что если бы одного лишь вакуума было достаточно для удержания на нужной высоте значительной массы жидкого металла с высокой температурой (как правило, порядка нескольких сот кг), то из-за опасности разрыва тигля или какого-либо трубопровода могло бы произойти падение этого большого количества жидкого металла в течение всего времени, пока не будет произведен принудительный сброс металла обратно в плавильную печь 1.
[0052] В данном случае выключение питающего насоса 6 или открывание клапанов приводит к опустошению испарительного тигля 9, а уровень автоматически возвращается к высоте напора, образующейся при разрежении. При этом жидкий металл остается только в трубопроводах в количестве всего лишь нескольких литров.
[0053] Наконец, в установке согласно изобретению в трубопроводах 8, 8A, 18 имеется определенная усиленная зона, обеспечивающая возможность расплавления магния без опасности разрыва трубопровода. Сплав, выбираемый для этого участка трубопровода, приспособлен к действию больших нагрузок и высоких температур. Эта зона, которую называют «термоклапаном», снабжена мощным устройством нагрева и устройством быстрого и в то же время регулируемого охлаждения, которое позволяет добиваться нужной температуры независимо от других зон (плавильной печи, испарительного тигля и остальных частей трубопроводов с жидким металлом). В результате обеспечивается затвердевание и расплавление металла в указанной зоне.
[0054] В соответствии с настоящим изобретением термоклапаны могут быть образованы двойной оболочкой (не показана), а охлаждение осуществляется при этом посредством инжекции и циркуляции свежего воздуха в указанной двойной оболочке.
[0055] Согласно изобретению, имеется возможность выполнения твердой металлической пробки для защиты установки. Можно также поддерживать температуру на довольно низком уровне с предотвращением или ограничением испарения. Таким образом, удается получить плавильную печь и вакуум в пространстве над ней без испарения в трубопроводах и подъема металла в них. В результате появляется возможность в период между двумя производственными кампаниями поддерживать расплавленное состояние металла в плавильной печи без необходимости при этом поддержания остальной части установки в нагретом и/или вакуумированном состоянии. Поскольку в трубопроводах уже нет жидкого металла и он никогда не затвердевает в них, их можно в случае надобности демонтировать.
[0056] Кроме сказанного, в предлагаемой установке можно предусмотреть следующие узлы, которые можно рассматривать как по отдельности, так и в различных сочетаниях (см. фиг.2 и 3):
- в дополнение к основному паровому клапану 19 имеются вспомогательные паровые клапаны 22, 23, обеспечивающие герметичность и позволяющие получить в тигле атмосферное давление с поддержанием в то же время вакуума в камере осаждения;
- шкаф 37 для раздачи аргона, обеспечивающий подачу этого инертного газа в испарительный тигель 9 и соответственно для проталкивания магния 11 в сторону плавильной печи;
- удерживающий отсек 43 в нижней части испарительного тигля или дополнительный тигель 44, монтируемый на основном паропроводе, но перед основным клапаном 19 и снабженный средствами нагрева (не показаны), обеспечивающими локализованное получение мощности, необходимой для генерации пара металла с давлением, достаточным для испарения в трубопроводах подачи и возврата жидкого металла, и для запуска с затвердевшим жидким металлом в этих трубопроводах. В соответствии с одним из предпочтительных технических решений указанный отсек 43 может нагреваться с помощью индукционных средств 42, предназначенных для тигля, или любого другого подходящего для этой цели устройства.
[0057] При наличии вышеперечисленных различных узлов цикл запуска состоит из следующих стадий:
- начинают плавление металла в печи без необходимости предварительного создания вакуума или нагрева трубопроводов и остальной части установки;
- поддерживают в соответствующих термоклапанах 7, 13, 15 твердое состояние и соответственно низкую температуру металла;
- после приведения установки в готовность, то есть ее вакуумирования и создания температуры, требуемой для приема жидкого металла и/или пара, закрывают распределительные клапаны на паропроводах и осуществляют генерацию пара металла (при температуре выше той, которую будет иметь жидкий металл в трубопроводах и в тигле) с помощью дополнительного тигля 44 или удерживающего отсека 43 в нижней части испарительного тигля. Этот пар будет заполнять испарительный тигель 9 и трубопроводы, а также препятствовать испарению в термоклапанах 7, 13, 15 или на поверхности жидкости, поднимающейся в трубопроводах под действием разрежения, возникающего при создании вакуума. Так, например, в случае с магнием температуру жидкости доводят до 685-690°C и генерируют пар при включении удерживающего отсека 43 или дополнительного тигля 44 при температуре 700°C. Для жидкости, демонстрирующей тенденцию к поднятию, среда уже насыщена, так что какое-либо испарение невозможно.
[0058] Затем можно прекратить регулирование термоклапанов 7, 13, 15 на низкой температуре и приступать к расплавлению находящегося в них металла, доводя его температуру до температуры печи. Сразу после того как металл расплавился, он начинает подниматься под действием разрежения в трубопроводах. Давление в испарительном тигле 9 будет определяться давлением генерируемого пара металла в несколько мбар, а объем испарительного тигля, являющийся довольно большим по сравнению с объемом трубопроводом, позволит сохранить это давление, несмотря на подъем металла. Далее можно заполнять испарительный тигель путем воздействия на питающий насос 6, а также на возвратные клапаны 14 и другие клапаны в плавильной печи 1. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления выбирают в качестве положения термоклапанов 7, 13, 15, например, ту же высоту, что и у жидкого металла в плавильной печи, когда она заполнена, а испарительный тигель пуст. Благодаря этому облегчается первый запуск, хотя в рамках заявленного объема охраны изобретения возможно и любое иное положение.
[0059] Для опустошения установки необходимо выполнить следующие операции:
- закрывают клапан 19 на паропроводе;
- выключают питающий насос 6 и открывают клапаны 14, 17 на трубопроводах 8, 18;
- теперь можно проталкивать жидкий металл обратно в сторону плавильной печи, действуя давлением аргона. Вначале регулируют расход аргона до получения давления, близкого к атмосферному, после чего можно отрегулировать его на поддержание давления, равного атмосферному давлению, действующему на плавильную печь, что необходимо для остановки металла в термоклапанах 7, 13, 15 точно на нужной высоте;
- по прошествии времени выдержки, необходимого для того, чтобы убедиться в достижении надлежащего баланса в данной ситуации, можно выключить нагрев термоклапанов и приступить к их охлаждению с целью обеспечения затвердевания металла непосредственно в этих термоклапанах; таким образом, на стороне тигля получают холодные и инертные свободные поверхности;
- теперь можно безо всякой опасности выключить опорожненную установку.
[0060] Положение, когда пробки в термоклапанах «заморожены», называют «безопасным положением». В случае обнаружения какого-либо потенциально серьезного отказа установки (например, неисправности нагревательного элемента) автоматически производится принудительный возврат в это положение.
[0061] В дальнейшем находящийся в тигле аргон можно постепенно высвободить в направлении установки вакуумирования, с тем чтобы восстановить нужный уровень вакуума в тигле, если предстоит повторный запуск оборудования. В противном случае аргон остается в тигле, образуя собой своего рода защитный слой, способствующий замедлению окисления жидкостных трубопроводов, испарительного тигля и свободных поверхностей металла в термоклапанах.
Перечень условных обозначений:
1 Плавильная печь
2 Магний, содержащийся в плавильной печи
3 Питательный клапан
4, 5 Управление питательным клапаном
6 Питающий насос
7 Питательный термоклапан
8 Трубопровод питания тигля - 8A переливной трубопровод
9 Корпус тигля (с индукционным нагревом)
10 Свод тигля и запас пара (с радиационным нагревом)
11 Магний, содержащийся в тигле
13 Термоклапан на переливном трубопроводе
14 Возвратный клапан
15 Термоклапан на рециркуляционном трубопроводе
16 Клапан на переливном трубопроводе
17 Возвратный клапан
18 Рециркуляционный трубопровод
19 Основной парораспределительный клапан
20 Основной трубопровод питания паром
21 Вспомогательные трубопроводы питания паром
22, 23 Клапаны регулирования расхода пара
24 Камера осаждения
25, 26 Напыляющие головки
27, 28 Отсек осаждения
29 Датчик нижнего уровня
30 Датчик верхнего уровня
31 Устройство для подачи слитков с нагревом T1
32 Клапан раздачи слитков
33 Слитки в магазине
34 Слиток в процессе плавления в печи
35 Нагрев для нижнего уровня
36 Нагрев для верхнего уровня
37 Шкаф раздачи аргона
38 Клапан раздачи аргона
39-41 Датчики уровня для тигля
42 Нагревательный индуктор для испарения металла
43 Удерживающий отсек в нижней части тигля
44 Дополнительный тигель для генерации пара
A Металлическая оболочка в форме сильфона
B Покрытие из прочной нержавеющей стали
C Бесшовная труба из мягкой стали