АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ВАКУУМНАЯ УСТАНОВКА ИНДУКЦИОННОЙ ПЛАВКИ МЕТАЛЛОВ С ХОЛОДНЫМ ТИГЛЕМ

Полезная модель относится к литейному производству, в частности для получения отливок из титановых сплавов широкой номенклатуры из поликристаллических материалов и интерметаллидов, обладающих уникальными механическими свойствами, в том числе эффектом памяти формы.
Создание технологического оборудования для реализации новых технологий представляет актуальную техническую задачу. Для ее выполнения необходимо оборудование, позволяющее осуществить индукционную плавку металлов в холодном тигле.
Известна установка для изготовления отливок направленной кристаллизации, (RU 2036049, Кл. B22D 27/04, 1995 г.), содержащая вакуумную горизонтальную камеру, в которой размещены плавильно-заливочное устройство для выплавки и заливки металла, привод вертикального перемещения литейных форм, печь для нагрева литейных форм до рабочей температуры, платформа с приводами вертикального и горизонтального перемещения с установленными на ней емкостью для жидкометаллического охладителя и емкостью для поврежденных литейных форм, а также секции направляющих с размещенными на них каретками с приводами горизонтального перемещения и подвесками для литейных форм, шлюзовую камеру с направляющими для кареток, а также печь предварительного нагрева литейных форм и поворотное погрузо-разгрузочное устройство. Кроме того, установка также снабжена механизмом для периодического поворота вокруг вертикальной оси секции направляющей, размещенной в вакуумной камере и достаточной по длине для размещения на ней каретки с подвесками литейных форм, при этом шлюзовая камера установлена в проеме вакуумной камеры перпендикулярно к ее горизонтальной оси, а печь предварительного подогрева литейных форм размещена внутри вакуумной камеры на одном уровне и в одной плоскости с печью для нагрева литейных форм до рабочей температуры, причем их проемы с дверцами обращены навстречу друг другу.
Однако данная вакуумная индукционная установка довольно громоздка и металлоемка и, кроме того, имеет большие потери времени по производственному циклу из-за большого пути перемещения форм по шлюзовой камере, что сказывается на стоимости производственного процесса.
Указанные недостатки частично устраняются в вакуумной индукционной установке с печью подогрева форм (RU 2297583, Кл. F27B 14/04, B22D 27/04, 2006 г.), принятой за прототип. Вакуумная индукционная установка, содержит модуль шлюзовой камеры и модуль плавильной камеры со сферической крышкой, плавильным тиглем, кристаллизатором, вакуумной системой, печью подогрева форм (ППФ) и установленными сверху на плавильной камере загрузочным устройством для подачи шихты в плавильный тигель, механизм вертикального перемещения форм, вакуумный затвор и механизм открывания и закрывания двери ППФ. Внутри плавильной камеры на кронштейнах расположены направляющие телескопического вида для перемещения форм в горизонтальной плоскости. Шлюзовая камера размещена на тележке и имеет переходной патрубок, установленный со стороны плавильной камеры, и крышку с другой стороны, механизм перемещения форм и шиберный вакуумный затвор. При этом модули и сферическая крышка герметично скреплены друг с другом по стыковым плоскостям разъемными соединениями. Вакуумная индукционная установка также снабжена модулем откатного блока, установленным на тележке и состоящим из конденсаторной батареи, измерительного пульта, пульта управления, токоподводов с трансформаторами. Причем модуль плавильной камеры установлен между модулем шлюзовой камеры, имеющей прямоугольную форму, и модулем откатного блока, на тележке которого закреплена сферическая крышка, с установленными внутри нее плавильным тиглем, ППФ и кристаллизатором.
Установка в сборе состоит из трех основных модулей: откатного, плавильного и шлюзового. Модули крепятся между собой по стыковым плоскостям разъемными соединениями, образуя герметичную камеру. Печь подогрева форм состоит из прямоугольного короба без дна, образованного из четырех боковых вертикальных стенок, одна из которых является дверцей, а также крышку с прорезью и нагревателями. Печь снабжена управляемыми теплоизоляционными экранами в виде нижней и верхней пар створок, расположенных под печью, для раскрытия их по периметру формы, а нагреватели выполнены в виде трех пластин, две из которых расположены параллельно вдоль боковых вертикальных стенок, а третья - под ним. Стенки короба выполнены из теплоизоляционных плит из углепластиковых композиционных материалов с металлическим каркасом.
Недостатками известной установки являются - невысокий уровень управляемости при проведении технологического процесса и сложность при ее обслуживании, в частности ремонта, из-за конструкции технологического затвора, разделяющего плавильную камеру от шлюзовой. Кроме того устройство сложное по конструкции.
Задачей полезной модели является разработка вакуумной установки индукционной плавки металлов с холодным тиглем, с повышенным уровнем управляемости.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции с одновременным повышением качества получаемых расплавов, за счет применения согласующегося между собой оборудования и расширение функциональных возможностей автоматизированной установки за счет возможности осуществления процесса плавки по разным технологическим схемам.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что автоматизированная вакуумная установка индукционной плавки металлов с холодным тиглем согласно полезной модели содержит откатной блок, установленный на перемещающейся тележке в котором расположены устройство загрузки-выгрузки форм и контейнер, а также плавильный модуль прямоугольной формы, образующий с откатным блоком разъемную герметичную камеру, при этом плавильный модуль снабжен загрузочным устройством для подачи шихты в плавильный тигель, расположенным в плавильном блоке, который оборудован концентратором магнитного поля и плавильным индуктором, включающим два параллельно соединенных между собой индуктора, заливочным устройством с электромеханическим приводом наклона тигля, печью подогрева форм с контейнером, установленным на поворотном столе, под которым смонтировано центробежное устройство, механизмом поворота тигля, а для обеспечения технологического процесса плавки установка содержит систему водяного охлаждения, пневматическую систему, систему вакуумирования и систему управления, а также источник электропитания, связанный с конденсаторной батареей, при этом для повышения уровня управляемости процессом, тиристорный преобразователь частоты тока источника электропитания связан с индуктором плавильного блока через согласующий высокочастотный трансформатор, а токоподвод для передачи электроэнергии от источника тока на плавильный индуктор и термопару выполнен скользящим и коаксиальным, состоящим из двух изолированных друг от друга корпусов. Кроме того плавильный модуль выполнен из нержавеющей стали и снабжен водяной рубашкой охлаждения и торцевой крышкой с гляделкой, а тигель плавильного блока выполнен медным и многосекционным. Центробежное устройство включает стол в виде плоского диска, посаженного на вертикальный вал и привод, которые установлены на самостоятельные фундаменты, при этом стол установлен на нижнем патрубке вакуумной камеры, а уплотнение между вакуумной камерой и станиной центробежного стола выполнено в виде плоского кольца из вакуумной резины, защищенное от брызг металла сварным кольцом. Электромеханический привод наклона тигля реализован на базе асинхронного двигателя, частотного регулируемого привод и датчика обратной связи по положению. Механизм поворота тигля закреплен на корпусе токоподвода, а загрузочное устройство выполнено с двумя раздельными электрическими приводами. Кроме того, система управления снабжена компьютерной системой и связана с пультом оператора.
Заявляемая автоматизированная вакуумная установка индукционной плавки позволяет получать новые сложнолегированные сплавы за счет применения холодного тигля, исключающего попадания загрязняющих включений в расплав, а применение согласующего высокочастотного трансформатора между тирристорным преобразователем частоты тока и индукторном плавильного тигля позволяет улучшить пусковые характеристики источника питания, а, следовательно, и повысить уровень управляемости при проведении технологического процесса плавки и заливки.
Выполнение конструкции корпуса плавильного модуля прямоугольного сечения, обеспечивает удобный монтаж оборудования, расположение и обслуживание технологических узлов внутри плавильного модуля (печь подогрева форм, плавильный блок, центробежная машина, гляделки). Кроме того прямоугольная конструкция облегчает обслуживание, в частности обеспечивается удобный доступ для чистки оборудования от загрязнений и рациональное расположение видеокамер для наблюдения. Создается возможность для получения отливок больших размеров.
Выполнение загрузочного устройства с двумя раздельными электрическими приводами обеспечивает загрузку шихты в тигель и измерение температуры расплавленного металла термопарой погружения. При этом контроль температуры расплава осуществляется двуцветным пирометром, что позволяет проводить периодическую калибровку пирометра по погружаемой термопаре и формализовать процесс плавления металла в тигле.
Обеспечение узла заливки металла из тигля в керамическую форму регулируемым электромеханическим приводом наклона тигля, реализованным на базе асинхронного двигателя, частотного регулируемого привод и датчика обратной связи по положению, позволяет обеспечить программируемый закон заливки металла в формы, контроль и регистрацию фактической скорости заливки.
Применение согласующего высокочастотного трансформатора между преобразователем частоты и индуктором позволило отказаться от дорогостоящего понижающего трансформатора в линии питающей сети, улучшить запуск источника, сократить габариты, значительно улучшить энергетические показатели установки.
Автоматизированная вакуумная установка индукционной плавки металлов с холодным тиглем изображена на фиг.1; на фиг.2 представлен плавильный модуль.
Автоматизированная вакуумная установка индукционной плавки металлов с холодным тиглем включает откатной блок 1, установленный на перемещающейся тележке, в котором расположены устройство загрузки - выгрузки форм с контейнером и плавильный модуль 2, выполненный прямоугольной формы и расположенный горизонтально. Плавильный модуль 2 образует с откатным блоком 1 разъемную герметичную камеру. Снаружи сверху на плавильном модуле 2 установлена верхняя крышка 3, обеспечивающая доступ для контроля за расположением форм в контейнере 4, загрузочное устройство 5, имеющее два раздельных вертикальных привода для подачи шихты в плавильный тигель и термопары погружения для замера температуры жидкого металла в плавильном тигле, а также устройство 6 подачи легирующих добавок в тигель. Контейнер 4 оборудован воронкой 7. На плавильном модуле 2 расположены гляделки, для наблюдения за состоянием расплавленного металла в тигле, при сливе металла, при замере температуры металла термопарой погружения и за положением горячей формы, при заливке расплавленным металлом. Кроме того, плавильный модуль 2 снабжен также торцевой крышкой 8. Для обеспечения технологического процесса плавки установка содержит систему водяного охлаждения 9, пневматическую систему 10, систему вакуумирования 11 и систему управления 12, а также источник электропитания 13, связанный электроразводкой 14 с конденсаторной батареей 15, в которой установлен согласующий высокочастотный трансформатор. В состав системы управления 12 установкой входит компьютерная система и пульт оператора 16, установленного на эстакаде 17 вместе со шкафом силовым 18 и шкафом управления механизмами 19. В плавильном модуле 2 (фиг.2) расположен плавильный блок 20, оборудованный концентратором магнитного поля и плавильным индуктором, включающим два параллельно соединенных между собой индуктора 9 (на фиг. не показано). Плавильный блок 20 снабжен электромеханическим приводом поворота тигля и также установлена печь 21 подогрева форм, помещенная в контейнер 4, расположенный на поворотном столе 22, под которым смонтировано центробежное устройство 23. Электроразводка 14 для передачи электроэнергии от источника тока 13 на индуктор плавильного блока 20 выполнен скользящим и коаксиальным, состоящим из двух изолированных друг от друга корпусов. Медный тигель плавильного блока 20 выполнен многосекционным. Механизм поворота тигля закреплен на патрубке корпуса камеры плавильного блока 20.
Автоматизированная вакуумная установка индукционной плавки металлов с холодным тиглем работает следующим образом.
5
Предварительно в плавильном модуле 2 на поворотный стол 22 центробежного устройства 23 в контейнер 4 устанавливают печь 21 подогрева форм с заливочной воронкой 7. Печь 21 подогрева форм имеет нагреватель, изготовленный из хромоникелевого сплава. Измерение температуры в печи 21 подогрева форм осуществляется термопарой. Токоподвод к нагревателям печи 21 и термопаре имеет подвижные контакты, которые отводятся перед включением центробежного устройства 23. К нагревателям и термопаре печи 21 подогрева форм подводят подвижные контакты и стыкуют их с токоподводом печи 21 подогрева форм. После чего включают печь 21 подогрева форм. Перемещение токоподводов нагревателя и термопары осуществляется электромеханическим приводом. Контейнер 4 предварительно закрывают крышкой с теплоизоляцией и через отверстие в крышке осуществляется обогрев сливного носка заливочного устройства. Через загрузочное устройство 5 загружают мерную шихтовую заготовку в медный секционный тигель. Питание плавильного блока 20 осуществляют токоподводом скользящим, предназначенным для передачи электроэнергии от источника питания 13 через токоподвод коаксиальный на плавильный индукционный блок 20 для обеспечения плавки металла. Охлаждение токоподвода осуществляется водой с давлением не менее 2×10 Па.
Включают систему водяного охлаждения 9 и насосы вакуумной системы 11. При достижении рабочего вакуума включают плавильный блок 20, в котором идет плавка. По показаниям приборов системы управления 12 определяют температуру нагрева формы и расплава металла. Термопарой погружения замеряется температура сплава в тигле.
По окончании плавки, отводят подвижные контакты термопары и нагревателей, включают привод центробежного устройства 23, с регулируемой скоростью вращения от частотного привода и осуществляют слив сплава в формы. Механизм поворота тигля закреплен на патрубке камеры плавильного блока 2. Управлять механизмом поворота тигля можно вручную и автоматически. При автоматической заливке тигель поворачивается на заданный угол, останавливается, делает временную задержку и возвращается в исходное положение.
Центробежное устройство 23 состоит из стола 22 и привода. Привод центробежной машины состоит из электродвигателя с частотным приводом и редуктора (на фиг. Не показано). Стол 22 выполнен в виде плоского диска, посаженного на вертикальный вал. Стол 22 установлен в нижнем патрубке вакуумной камеры плавильного блока 2. Станиной центробежного стола 22 служит сварная конструкция, несвязанная жестко с камерой плавильного блока 2. Уплотнением между станиной и столом 22 служит плоское кольцо из вакуумной резины, защищенное от брызг металла специальным сварным кольцом.
Наличие центробежного устройства 23 обеспечивает хорошую наполняемость формы сплавом. По окончании заливки металла керамическая форма в зависимости от технологического режима охлаждается заданное время.
Для обеспечения высокопроизводительного фасонного литья на поворотный стол 22 устанавливают многосекционные керамические формы с заданным количеством посадочных мест (4, 6, 8). Расположение форм на поворотном столе 22 позволяет за один технологический цикл выплавить несколько отливок.
Во время заливки металла поворотный стол 22 поворачивается на определенный угол для заливки металла в очередную форму.
Автоматизированная вакуумная установка индукционной плавки металлов с холодным тиглем представляет собой сложную конструкцию, состоящую из отдельных функциональных модулей и устройств, обеспечивающих проведение технологического процесса плавки сплавов для литья фасонных отливок в вакууме по нескольким технологическим схемам, а именно:
- Заливка металла в форму, предварительно нагретую в печи подогрева.
- Заливка металла в форму, расположенную на центробежном устройстве.
- Заливка металла последовательно в несколько форм, расположенных с заданным шагом на поворотном столе.
При этом если технологией не предусматривается прогрев формы или заливочного устройства печь подогрева форм может быть демонтирована.
В настоящее время автоматизированная вакуумная установка индукционной плавки металлов с холодным тиглем находится на стадии разработки технической документации. Готовится изготовление в производстве отдельных узлов.