ИНДУКЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПЛАВКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Заявленная полезная модель относится к устройствам индукционного нагрева и литейному производству и может быть использована в промышленности для литья титановых сплавов.
Известно, что титан и его сплавы в жидком состоянии имеют чрезвычайно высокую химическую активность. Титан реагирует с кислородом, азотом, водородом, вступает во взаимодействие с различными оксидами, образующими огнеупорные материалы, и восстанавливает их. Кроме того, расплав титана растворяет углерод графитового тигля, что приводит к резкому снижению пластичности сплавов, поэтому титан нельзя плавить в печах, футерованных обычными огнеупорами. Техническим решением описанной проблемы стали плавка и разливка в медном водоохлаждаемом тигле, а также прецизионное литье с использованием центробежных литейных модулей [С. Павлов, А. Якович Multiphysics: много дисциплинарное моделирование металлургических магнитогидродинамических технологий. Эволюция моделей индукционной печи с холодным тиглем. ”Машиностроение и смежные отрасли”. CAD/CAM/CAE Observer №3 (47), 2009, стр. 61-69; А.А. Ильин, Б.А. Колачев, И.С. Полькин Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. - М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. - 520].
Недостатком обоих этих методов является то, что процесс получение расплава титана осуществляется в вакууме или в атмосфере инертного газа. Это требует использования дополнительного оборудования и времени, что в конечном итоге приводит к удорожанию процесса в целом значительно усложняет конструкцию.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является индукционная установка для прецизионного литья титана и его сплавов, разработанная компанией Linn High Therm совместно с ACCESS e.V. и институтом RWTH Aachen [T. Hauptman, G. Billhofer Titanium - material for aerospace and its processing. ”Industrial Heating”. November 2010, pp. 39-42].
Такая установка состоит из плавильного тигля и литейной формы из многослойной керамики; катушки индуктора, которая перемещается от пода до края плавильного тигля; системы вакуумирования, где используется система насосов которая соединена через герметичное роторное устройство с осью разливочного рычага, представляющей собой полый вал, и обеспечивающая защиту жидкого металла от негативного влияния атмосферы; вращающегося вала, разливочного рычага, за счет вращения которого вокруг вертикального вала создается центробежная сила, под воздействием которой жидкий расплав переливается из плавильного тигля в предварительно подогретую форму [Т. Хауптман, Г. Биллхофер Титановые сплавы как перспективные материалы для изготовления литых деталей в авиамотостроении. «Литейщик России» №7, 2011 г, стр. 5-8].
Недостатком устройства такого типа является то, что весь процесс плавки титана осуществляется в вакууме с использованием оборудования, которое усложняет конструкцию установки и приводит к удорожанию процесса в целом. Процесс получения расплава титана на воздухе при нормальном давлении не может быть осуществлен в конструкции установки для прецизионного литья с использованием центробежных литейных модулей.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является получение расплава титана внутри слитка, требующее значительно меньшего времени и энергозатрат, на воздухе без использования тигля и другого дополнительного оборудования.
Для получения указанного технического результата полезная модель включает в себя индуктор, выполненный из медной тонкостенной трубки в виде многовитковой спиральной катушки с выводами для подключения к источнику питания, в котором по центру и коаксиально установлена кварцевая трубка, закрепленная в опоре, с возможностью установки на ее верхний торец титановой заготовки симметрично относительно обоих концов индуктора.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 представлен внешний вид индукционной установки с помещенной в него заготовкой; фиг. 2 иллюстрирует характер изменения температурного поля по сечению заготовки в процессе индукционного нагрева и получения расплава внутри слитка.
Индукционная установка для плавки титановых сплавов состоит из (см. фиг. 1): 1 - индуктор, 2 - титановая заготовка, 3 - кварцевая трубка, 4 - опора, 5 - форма для расплава.
Работа индукционной установки для плавки титана заключается в следующем. В индукторе 1, выполненном из медной тонкостенной трубки в виде многовитковой спиральной катушки с выводами для подключения к источнику питания, по центру и коаксиально установлена кварцевая трубка 3, закрепленная в опоре 4, с возможностью установки на ее верхний торец титановой заготовки 2 симметрично относительно обоих концов индуктора 1. В результате процесса индукционного нагрева внутри титановой заготовки 2 образуется расплав, затем, пробив нижний торец заготовки 2, по кварцевой трубке 3 он стекает в форму для расплава 5. Весь процесс осуществляется на воздухе без использования тигля и другого дополнительного оборудования.
Геометрические параметры индуктора 1: ширина и высота - выбираются в соответствии с размерами титановой заготовки 2: высота и внутренний диаметр индуктора 1 должны быть в полтора - два раза больше нежели высота и диаметр титановой заготовки 2.
Частота источника питания выбирается таким образом, чтобы глубина проникновения тока составляла примерно одну треть от радиуса титановой заготовки. Соответственно частоте выбирается мощность, позволяющая нагреть поверхность до температуры 1350C°-1450C° и поддерживать ее в указанном диапазоне.
Характер изменения температурного поля по сечению заготовки в процессе индукционного нагрева и получения расплава внутри слитка (см. фиг. 2) следующие.
П
Ц
2
п
ц
2
3
4
До момента времени 11 происходит интенсивный нагрев в индукторе 1 поверхности заготовки 2 при постоянном значении подаваемой мощности, температура поверхности значительно превышает температуру центра T>T. Далее значение мощности снижается, и температурный перепад между поверхностью и центром выравнивается. В момент времени t температуры на поверхности и в центре равны T=T и соответственно ΔT=0. Из-за тепловых потерь с поверхности заготовки 2 максимум температуры находится на некоторой глубине от поверхности. При достижении температуры поверхности уровня 1350C°-1450C° и уменьшении мощности максимум температур постепенно переходит в центр заготовки 2. Это явление имеет место при индукционном нагреве всех металлов, однако для титановых сплавов оно проявляется сильнее из-за низкой теплопроводности и высокой температуры плавления. Перегрев внутренних слоев металла может привести, в конечном счете, к началу их расплавления в момент времени t. Процесс плавления происходит до наступления термодинамического равновесия между энергией, поступающей в заготовку, и тепловыми потерями с ее поверхности, когда внутри заготовки 2 образуется зона расплава, отделенная от внешней среды слоем защитного гарнисажа ΔX (момент времени t).
В результате описанных процессов с помощью представленной индукционной установки получен расплав титана внутри слитка, требующий значительно меньшего времени и энергозатрат по сравнению известными способами плавки, на воздухе без использования тигля и другого дополнительного оборудования