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.
Вакуумные плавильные печи с «холодным» тиглем используются для получения компактного кристаллического сплава из порошковой шихты, твердых растворов или химических соединений из нескольких компонент. Метод индукционной плавки в холодном тигле используется для получения уникальных и новых сплавов, таких, как: нитинола медицинского, обладающего эффектом памяти (сплав 43% титана и 57% никеля), интерметаллидов типа TiAl, сложнолегированных титановых сплавов на основе Ti-Al с добавлением Nb, Cr и других легирующих элементов (материала для создания авиадвигателей 5-го поколения), например, сплава BT-35 (Ti-15W-3G-3Al-3Sn-1Zr-1Mo).
Известно 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. 2.)
Известно также устройство индукционной вакуумной печи с холодным тиглем, выполненным из секций, а также 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, заполненным порошком на основе оксида (RU 2096713, кл. F27D 11/06, 1997 г.)
Однако металлы и сплавы, полученные в известных устройствах, загрязнены, как правило, материалами тигля.
Прототипом полезной модели является плавильная печь для производства металлов, сплавов и переработки отходов (RU 2177132, кл. F27B 14/06, G21F 9/00, 2001 г.), состоящая из металлического охлаждаемого плавильного тигля, прозрачного для электромагнитного поля, индуктора и поддона, который выполнен металлическим охлаждаемым. В поддоне и/или в боковой стенке плавильного тигля размещены одно или несколько сливных устройств, выполненных в виде индукционных плавильных узлов, состоящих из металлических секционированных охлаждаемых тиглей, прозрачных для электромагнитного поля, и расположенных вокруг них индукторов. Охлаждаемые тигли выполнены с формой усеченных конусов, сужающихся книзу, размещены в поддоне и имеют на нижних торцах отводящиеся металлические водоохлаждаемые крышки. Кроме того, плавильная печь оборудована механизмом перемещения поддона вместе со сливными устройствами, размещенными в нем. В зазорах между поддоном и сливными устройствами, размещенными в нем, проложены слои электрической изоляции, и в зазорах между сливными желобами и боковой стенкой плавильного тигля также проложены слои электрической изоляции. Индукционные плавильные узлы, размещенные в боковой стенке плавильного тигля, состоят из наклонных металлических секционированных охлаждаемых желобов, прозрачных для электромагнитного поля, и расположенных вокруг них индукторов. Плавильная печь содержит вакуумную систему.
Известное устройство плавильной печи достаточно сложное по конструкции и эксплуатации. Кроме того, устройство не достаточно эффективное из-за рассеивания электромагнитного поля индуктора, влияющего на температуру расплава внутри тигля. Одним из серьезных недостатков устройства является получение сплава, загрязненного материалом из которого изготовлен тигель.
Задачей полезной модели является разработка конструкции плавильного блока, обеспечивающей снижение рассеивания электромагнитного поля индуктора и минимизацию контакта расплава со стенками "холодного" тигля, добиваясь, таким образом, высокой чистоты получаемого материала.
Техническим результатом является снижение энергозатрат при плавке металлов и их сплавов, повышение чистоты материала плавки и увеличение срока службы плавильного блока.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в блоке плавильном с секционным холодным тиглем для плавки активных тугоплавких металлов и их сплавов, в котором секционный холодный плавильный тигель выполнен металлическим и охлаждаемым, прозрачным для электромагнитного поля, со слоями электрической изоляции, с расположенным вокруг него охлаждаемым индуктором и включающий вакуумную систему и токоподвод, согласно полезной модели индуктор выполнен из двух параллельно расположенных медных трубок, образующих витки вокруг тигля, а по периметру снаружи индуктора закреплен концентратор магнитного поля, для снижения рассеивания электромагнитного поля индуктора, выполненный в виде магнитопровода, включающего набор пластин из листовой электротехнической стали, отдельные секции плавильного тигля, изолированы друг от друга по торцам с зазорами, в которых расположен электрический изолятор, а на внутреннюю поверхность каждой секции тигля нанесено композиционное многослойное покрытие электроизоляционного слоя, при этом для охлаждения плавильного блока напорный и сливной коллекторы расположены в его нижней части. Каждая медная трубка индуктора включает четыре витка. Электрический изолятор, расположенный в зазорах между секциями плавильного тигля выполнен из слюдопласта в виде пластин сложной формы, толщиной равной 1 мм, а композиционное многослойное покрытие электроизоляционного слоя выполнено на основе оксида циркония и нанесено методом плазменного напыления.
2
Выполнение плавильного блока с использование электромагнитного силового воздействия, созданного переменным током в индукторе, позволяет минимизировать контакт расплава со стенками "холодного" тигля, добиваясь, таким образом, высокой чистоты получаемого материала. Холодный тигель конструктивно представляет собой сосуд, собранный из отдельных 28 секций, изолированных друг от друга по торцам зазорами, в которых располагается изолятор - слюдопласт. Напыление многокомпонентного композиционного покрытия на основе оксида циркония, на внутренние поверхности медных секций, обращенных к металлу, имеющего температуру плавления более 2700°С (ZrO), создает теплостойкий слой.
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. Концентратор магнитного поля используется в блоке плавильном для снижения энергетических затрат при плавке.
Концентратор магнитного поля, установленный по периметру снаружи индуктора, позволяет снизить энергетические затраты при плавке, влияя тем самым на стоимость полученного материала. Магнитопроводы замыкают через себя магнитные силовые линии снаружи индуктора, концентрируя магнитные силовые линии внутри тигля, увеличивая интенсивность воздействия энергии индуктора на расплавляемый материал. Каждый из концентраторов представляет собой набор пластин из листовой электротехнической стали толщиной 0,35 мм.
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 - блок плавильный с секционным холодным тиглем для плавки активных тугоплавких металлов и их сплавов; на фиг.2 - блок плавильный с секционным холодным тиглем и магнитопроводом в сборе; фиг.3 - напорно-сливной коллектор блока плавильного.
Блок плавильный с секционным холодным тиглем для плавки активных тугоплавких металлов и их сплавов содержит секционный холодный плавильный тигель 1 (фиг.1), включающий 28 медных водоохлаждаемых секций, которые изнутри покрыты композиционным многослойным покрытием путем напыления электроизоляционного слоя на основе оксида циркония методом плазменного напыления. Вокруг тигля 1 расположен охлаждаемый индуктор 2, выполненный из двух параллельно расположенных медных трубок, каждая из которых образует четыре витка вокруг тигля 1. По периметру индуктора 2, снаружи, закреплен концентратор 3 магнитного поля (фиг.2). Для снижения рассеивания электромагнитного поля индуктора 2 он выполнен в виде магнитопровода, включающего набор пластин из листовой электротехнической стали толщиной 0,35 мм. Для упрощения конструкции магнитопровода он выполнены из отдельных шихтованных пакетов прямоугольной формы. Отдельные секции плавильного тигля 1, изолированы друг от друга по торцам с зазорами, в которых расположен электрический изолятор 4 из слюдопласта сложной формы, толщиной равной 1 мм, для удобства его размещения между секциями.
Для охлаждения плавильного блока в его нижней части расположены напорный 5 и сливной 6 коллекторы. Блок плавильный оборудован механизмом 7 поворота тигля 1, закрепленного на патрубке токоподвода, выполненного коаксиальным.
Блок плавильный с секционным холодным тиглем для плавки активных тугоплавких металлов и их сплавов работает следующим образом.
Индукционная плавка в холодном тигле 1 используется для получения уникальных и новых сплавов, таких как: нитинола медицинского назначения, обладающего эффектом памяти (сплав 43% титана и 57% никеля), интерметаллидов типа TiAl, сложнолегированных титановых сплавов на основе Ti-Al с добавлением Nb, Cr и других легирующих элементов (материала для создания авиадвигателей 5-го поколения), например, сплава ВТ-35 (Ti-15W-3G-3Al-3Sn-1Zr-1Mo). Первоначально рассчитывают и подготавливают шихтовый материал. Определяют оптимальную схему укладки шихты в холодный тигель 1, порядок введения легирующих добавок из загрузочного устройства в процессе плавки. Определяют оптимальные режимы плавки для каждого вида сплава, т.е. мощность, частоту, степень вакуумирования и время работы печи на определенной мощности на каждом этапе плавки.
В холодный тигель 1 загружают вручную требуемый развес расплавляемого металла. Перед началом работы необходимо:
- включить силовые цепи;
- включить вводные автоматы;
- подать охлаждающую воду в водоохлаждаемые полости в индуктор 2, секции тигля 1;
-3
-4
- осуществить вакуумирование плавильной камеры, где располагается плавильный блок, до давления 1 10…5 10 мм рт.ст.;
- включить индуктор 2 блока плавильного. После чего производится расплавление металла, замер температуры расплава, добавка легированных элементов в тигель 1;
- во время работы печи тигель 1 находится в вертикальном положении, после окончания плавки осуществляют заливку жидкого металла из холодного тигля 1 в керамические формы с помощью его наклона.
Холодный тигель 1 для индукционной плавки должен минимально экранировать садку от поля расплава. Магнитный поток, проникающий в расплав, не зависит от числа зазоров между секциями тигля 1. Важно чтобы был хотя бы один зазор. Однако магнитный поток существенно зависит от конструкции секций тигля 1, а именно от величины потокосцепления секций с полем индуктора 2.
Тигель 1 непригоден для плавки, если его секции образуют короткозамкнутые электрические контуры, которые пересекает магнитный поток индуктора 2. При работе устройства обеспечивается эффективный нагрев металла с использованием явление отжатия расплава от стенок холодного тигля 1. Отжатие расплава осуществляется силами электродинамического взаимодействия между токами в индукторе 2 и расплаве на частотах тока звукового диапазона. При отжатии исключается замыкание секций тигля 1 через садку, а также резко снижаются тепловые потери, так как между расплавом и холодной стенкой тигля 1 появляется зазор. Устройство также обеспечивает возможность ведения процесса плавки на технологических режимах, создающую образование тонкого слоя застывшего материала плавки, так называемого гарнисажного слоя, который защищает металл от стенок тигля 1.
Конструкция тигля 1 и использование электромагнитного силового воздействия, созданного переменным током в индукторе 2, позволяет минимизировать контакт расплава со стенками "холодного" тигля 1, добиваясь, таким образом, высокой чистоты получаемого материала.
За счет размещение напорного 5 и сливного 6 коллекторов в нижней части плавильного блока по напорному 5 коллектору вода поступает в нечетные секции медного тигля 1, далее по внутреннему отверстию профиля вода поднимается верх, переливается через переходник в четные секции тигля 1 и поступает в сливной 6 коллектор.
Секции холодного тигля 1 изготавливаются на базе медных профилей, которые механически прижимаются друг к другу и за счет электрических изоляторов 4 обеспечивается герметичность. Кинематика плавильного блока включает поворот тигля 1 на слив, который осуществляется приводом от редуктора и электрического двигателя (на фиг. не показано). В механизме 7 поворота тигля 1 применен асинхронный двигатель с частотным регулированием и датчиком обратной связи по положению, что позволяет реализовать практически любой закон заливки металла в тигель 1. Механизм 7 поворота тигля 1 закреплен на патрубке токоподвода. Управлять механизмом 7 поворота тигля 1 можно вручную и автоматически. При автоматической заливке тигель 1 поворачивается на заданный угол, останавливается, делает временную задержку и возвращается в исходное положение.
Таким образом, блок плавильный с секционным холодным тиглем для плавки активных тугоплавких металлов и их сплавов за счет разработки новой оригинальной конструкции индуктора и концентратора магнитного поля, а также системы охлаждения и электрического изолятора, обеспечивает снижение энергоемкости процесса плавки, а нанесение на внутреннюю поверхность каждой секции тигля композиционного многослойного покрытия на основе оксида циркония методом плазменного напыления, создает возможность получения более чистого металла.
В настоящее время блок плавильный с секционным холодным тиглем находится на стадии разработки технической документации. Готовится изготовление в производстве отдельных узлов.