ВАКУУМНАЯ ДУГОВАЯ ГАРНИСАЖНАЯ ПЕЧЬ

Полезная модель относится к области металлургии, в частности к вакуумно-дуговым гарнисажным печам для выплавки слитков высокореакционных металлов и сплавов, преимущественно титановых.
Типичные конструкции вакуумных дуговых гарнисажных печей для выплавки высокореакционных металлов и сплавов содержат вакуумный водоохлаждаемый корпус печи, электрододержатель, водоохлаждаемый тигель и кристаллизатор специальной формы. Расходуемым электродом для получения слитков служит сформировавшийся в тигле на предыдущей плавке гарнисаж.
Для плавления расходуемого электрода и шихтового материала, уложенного в тигле, в качестве источника нагрева используется электрическая дуга большой мощности. При этом одним из электродов является шихтовой материал. Плавка производится в вакуумном пространстве, что необходимо для отведения из расплава газовых примесей. Тигель установлен на поворотную раму с опорными цапфами, проходящими через боковые стенки основания печи. Поворот тигля с рамой осуществляется через кривошипный механизм, оси которого также проходят через боковые стенки основания печи. Слив расплава производится в неохлаждаемый кристаллизатор, подвешенный на опорах, который расположен в вакуумном объеме плавильной камеры. В процессе обслуживания печи крышка с электрододержателем поднимается на некоторую высоту и отводится в сторону, а расстыковка разъема в среднем сечении производится механизмом, осуществляющим поворот свода печи относительно горизонтальной оси на угол, близкий к 90°, открывая пространство над тиглем.
В вакуумных дуговых гарнисажных печах процесс плавки шихтового материала сопровождается выделением мелкодисперсных образований, обладающих высокой гигроскопичностью. Указанные образования осаждаются на охлаждаемых поверхностях корпуса печи. После остывания продуктов плавки при работах по обслуживанию печи данные образования насыщаются атмосферной влагой, что ведет к увеличению времени вакуумирования перед следующей плавкой на несколько часов, поэтому внутренние поверхности корпуса печи подвергают чистке. Механизм поворота плавильного тигля должен обеспечивать равную угловую скорость поворота на угол, соответствующий сливу расплава для заполнения кристаллизатора. Слив расплава из положения покоя сопровождается волнообразными колебаниями поверхности расплава ванны в тигле, что приводит к образованию «нахлестов» на стенках тигля, сливного носка и сливной воронки, и, в ряде случаев, при наличии в ванне расплава загустевших включений, может привести к частичному проливу расплава через край сливной воронки. Неохлаждаемый кристаллизатор находится в вакуумном объеме плавильной камеры, что создает дополнительный тепловой поток в вакуумный объем печи и требует дополнительного времени в технологическом цикле печи. Использование охлаждаемого кристаллизатора в вакуумном объеме печи сопряжено с технологическими проблемами, возникающими при обеспечении вакуумной герметичности стыковки водяных каналов, а также с требованиями взрывобезопасности.
Известна вакуумная дуговая гарнисажная печь, содержащая вакуумную водоохлаждаемую камеру, электрододержатель, расходуемый электрод-гарнисаж, кристаллизатор, водоохлаждаемый тигель с закладным стержнем и закладной задней стенкой с контрольными термопарами (патент РФ №2194780, публ. 20.12.2002).
Недостатками известного устройства являются дополнительное время охлаждения слитка в кристаллизаторе, находящемся в вакуумном объеме печи, что увеличивает тепловую нагрузку на корпус печи, вызывая местные перегревы конструкции печи, отсутствие управления процессом слива расплава из тигля, что вызывает опасность повреждения элементов печи, приводящего к увеличению времени и трудоемкости операций подготовки печи к последующей плавке, а также затрудненный доступ к раме тигля и основанию печи при их обслуживании и, особенно, на операции чистки из-за отсутствия временных специализированных площадок, т.к. поверхность разъема свода и основания печи выполнена выше оси поворота тигля.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эффективности использования плавильного оборудования при сохранении качества выплавляемых слитков.
Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении полезной модели, являются повышение безопасности и производительности печи, улучшение условий ее эксплуатации и обслуживания.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в вакуумной дуговой гарнисажной печи, содержащей электрододержатель, расходуемый электрод-гарнисаж, тигель с механизмом поворота, кристаллизатор и вакуумный водоохлаждаемый корпус, состоящий из разъемно соединенных крышки, свода печи и основания, согласно полезной модели плоскость разъема свода и основания печи расположена на уровне пола, на котором установлен корпус, при этом свод печи выполнен съемным, а кристаллизатор - с дополнительным фланцем на боковой поверхности в верхней части для стыковки по вакуумному уплотнению с соединительным отверстием, выполненным в основании корпуса, и размещен снаружи корпуса печи с возможностью вертикального перемещения для стыковки снизу с основанием корпуса и горизонтального перемещения на технологический стенд посредством подъемно-передвижной платформы.
Кроме того, механизм поворота тигля размещен внутри корпуса в вакуумном объеме и выполнен с возможностью изменения скорости наклона тигля.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом. На фиг. 1 изображен общий вид печи в разрезе.
Печь содержит электрододержатель 1, расходуемый электрод-гарнисаж 2, тигель 3 с механизмом поворота 4, кристаллизатор 5 и вакуумный водоохлаждаемый корпус, состоящий из крышки 6, свода 7 и основания 8 с выполненным соединительным отверстием 9. Кристаллизатор, выполненный с дополнительным фланцем 10, с возможностью реверса перемещается в горизонтальном и вертикальном направлении посредством подъемно-передвижной платформы 11 из технологического стенда 12.
Вакуумная дуговая гарнисажная печь работает следующим образом.
Подготовка печи к плавке осуществляется при открытой крышке корпуса, при этом крышка корпуса печи, размещенная на консоли, с электрододержателем отведена в сторону для доступа к тиглю мостового крана, расположенного в плавильном боксе. Свод печи, находящийся на отдельном участке вне плавильного бокса для осуществления чистки, перед плавкой устанавливается на основание печи. На подъемно-передвижную платформу, размещенную на технологическом стенде, устанавливается кристаллизатор заданного диаметра. Подъемно-передвижная платформа с кристаллизатором перемещается в горизонтальном направлении под основание корпуса печи, после чего осуществляется вертикальное перемещение и стыковка дополнительного фланца кристаллизатора с соединительным отверстием основания корпуса. В тигель до требуемого уровня загружается шихта. На электрододержатель устанавливается гарнисаж - расходуемый электрод, полученный от предыдущей плавки. Производится вакуумирование камеры печи. Между расходуемым электродом и шихтой, уложенной в тигель, разжигается электрическая дуга и производится сплавление электрода и шихты до образования необходимого объема жидкой ванны расплава в тигле. В предлагаемом устройстве наружная поверхность кристаллизатора вынесена за вакуумный объем корпуса печи, что приводит к значительному сокращению вакуумного объема печи (ориентировочно в 2 раза) и позволяет вакуумной системе эффективнее осуществлять отведение газообразных и летучих примесей, образующихся при плавлении шихтового материала и вызванных протечками вакуумных уплотнений конструкции печи. После плавления шихты производится наклон тигля и слив расплава в кристаллизатор. При сливе расплава в кристаллизатор механизм поворота тигля, расположенный в вакуумном объеме печи, обеспечивает три режима изменения угловой скорости: на первом этапе происходит плавный разгон тигля до начала момента слива расплава, далее происходит слив основной массы расплава при постоянной угловой скорости поворота тигля и плавное торможение к моменту окончания слива. Управление скоростью наклона исключает волнообразные колебания на поверхности ванны расплава, а также пролив жидкого металла мимо кристаллизатора. Механизм поворота тигля может быть выполнен, например, как качающийся гидроцилиндр, расположенный в герметичном отсеке основания печи. В целях исключения попадания вредных примесей в слиток рабочим телом гидросистемы является вакуумное масло с давлением насыщенных паров менее остаточного давления вакуума при плавке. Слитый расплав охлаждается в кристаллизаторе, при этом вакуумный объем печи не может быть разгерметизирован в течение времени остывания поверхности гарнисажа и слитка до температуры, при которой металл реагирует с атмосферой. Таким образом, расположение наружной поверхности кристаллизатора вне вакуумной камеры печи снижает тепловой поток в вакуумный объем от нагретых частей печи и приводит к сокращению времени технологического цикла. При достижении полученного слитка и гарнисажа требуемой температуры осуществляется расстыковка кристаллизатора, кристаллизатор на подъемно-передвижной платформе перемещается на технологический стенд. Крышка корпуса отводится в сторону, свод печи может транспортироваться на операцию чистки. Плоскость разъема свода и основания печи на уровне пола плавильного бокса позволяет повысить удобство эксплуатации и обслуживания печи. Свод печи выполнен съемным с возможностью транспортировки стандартным подъемно-транспортным оборудованием, что дает возможность параллельного выполнения операций чистки свода на специализированном участке и загрузки тигля шихтой, а также подъемно-транспортных операций при подготовке и эксплуатации инструмента, что дает возможность разгрузить подъемно-транспортное оборудование и, соответственно, снизить время технологического цикла изготовления продукции.
Таким образом, предлагаемое устройство, по сравнению с известными, позволяет повысить безопасность и производительности печи, улучшить условия эксплуатации и обслуживания.