EP0392067A1 - Vakuuminduktionsofen - Google Patents

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EP0392067A1
EP0392067A1 EP89106749A EP89106749A EP0392067A1 EP 0392067 A1 EP0392067 A1 EP 0392067A1 EP 89106749 A EP89106749 A EP 89106749A EP 89106749 A EP89106749 A EP 89106749A EP 0392067 A1 EP0392067 A1 EP 0392067A1
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EP
European Patent Office
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crucible
cover
housing
vacuum induction
induction furnace
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Withdrawn
Application number
EP89106749A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sergei Leonidovich Sheffer
Alexandr Pavlovich Gubchenko
Igor Valentinovich Kuzovlev
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VSESOJUZNY NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY PROEKTNO-KONSTRUKTORSKY I TEKHNOLOGICHESKY INST ELEKTROTERMICHESKOGO OBORUDOVANIA VNIIETO
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VSESOJUZNY NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY PROEKTNO-KONSTRUKTORSKY I TEKHNOLOGICHESKY INST ELEKTROTERMICHESKOGO OBORUDOVANIA VNIIETO
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Filing date
Publication date
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    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/08—Details peculiar to crucible or pot furnaces
    • F27B14/0806—Charging or discharging devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D3/0025—Charging or loading melting furnaces with material in the solid state
    • F27D3/0032—Charging or loading melting furnaces with material in the solid state using an air-lock
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/22—Furnaces without an endless core
    • H05B6/24—Crucible furnaces
    • H05B6/26—Crucible furnaces using vacuum or particular gas atmosphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/06—Crucible or pot furnaces heated electrically, e.g. induction crucible furnaces with or without any other source of heat
    • F27B14/061—Induction furnaces
    • F27B14/063—Skull melting type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B2014/008—Continuous casting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
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    • F27B14/04—Crucible or pot furnaces adapted for treating the charge in vacuum or special atmosphere
    • F27B2014/045—Vacuum
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/08—Details peculiar to crucible or pot furnaces
    • F27B2014/0837—Cooling arrangements

Definitions

  • the invention relates to a vacuum induction furnace of the type specified in the preamble of claim 1, which is used for melting high-melting, chemically active metals, for remelting casting blocks of a metal for the purpose of cleaning it from gas and non-metallic inclusions and also for melting special precision alloys the basis of melting and chemically active metals can be used.
  • a vacuum induction furnace / VV Linchevsky "Vakuumnaya induktsionnaya plavka” (vacuum induction melting process) is known, 1975, Verlag Metallurgia (Moscow), p. 147, Fig. 77 /, which contains a hermetically lockable chamber with a crucible accommodated therein, which is held by an induction coil on the lid of the Chamber are installed facilities for guiding and monitoring the melting process.
  • this furnace has a limited operating area for the crucible, and the use of additional technological devices in it is limited because these devices must be mounted above the metal bath level in the relatively small crucible so that their axes pass through the center of the metal bath level, which also extends located in the depth of the crucible. Since this requirement can not be met, such devices with additional devices such as channels, troughs and. Like. Provide what complicates the furnace operation and increases the lid dimensions.
  • a vacuum induction furnace which contains a cooled metal crucible surrounded by an induction coil, a cooled base located in the lower part of the crucible and a hermetically closable chamber connected to the crucible, which is fastened to the crucible and devices to guide and monitor the melting process, d.
  • H. has an observation window and a nozzle for generating the working atmosphere.
  • the observation window is located in the middle of the chamber lid above the metal bath level and the nozzle on the side wall of the chamber.
  • the structural design of the chamber cover limits the number of devices used, which limits the possible uses of the crucible to the melting of the introduced metal.
  • the invention has for its object to provide a vacuum induction furnace in which a larger number of devices to expand its uses can be used to guide and monitor the melting process and its dimensions are greatly reduced by the proximity of these devices directly to the metal bath level in the crucible.
  • a vacuum induction furnace which has a cooled metal crucible, an induction coil surrounding the metal crucible, a cooled base arranged in the lower part of the crucible and a housing of a hermetic chamber connected to the crucible, the lid of which is provided with technological devices for guiding and monitoring the melting is, solved according to the invention in that the chamber is equipped with a drive for rotating the lid about its axis and with a seal which is located between the housing and the lid, the means for guiding and monitoring the melting process on the lid of the hermetic chamber are placed on a circle with a radius equal to the distance between the axes of the crucible and the lid.
  • the invention reduces the dimensions of the devices and creates favorable conditions for reliable and convenient furnace operation thanks to the arrangement of the devices directly above the metal bath level in the crucible.
  • the vacuum induction furnace shown contains a hermetically closable chamber with a base plate 1, on which a housing 2 is mounted, a cup-shaped cover 3 and a seal 4 between the housing 2 and the cover 3.
  • a cooled metal crucible 5 is installed hermetically under the base plate 1, which is surrounded by an induction coil 6.
  • Devices for guiding and monitoring the melting process are mounted on the cover 3, namely a metering device 7, a device 8 for breaking bridges and for taking metal samples, a device 9 for measuring the metal temperature, a chamber 10 for refilling feed materials, and a plasma beam generator 11 and an observation device 12.
  • the cover 3 is equipped with a drive 13 for rotation about its own axis.
  • the cooled crucible 5 is connected to the chamber via an opening 14.
  • the housing 2 is a cylindrical nozzle open at the top, on the inner surface of which an annular support plate 15 is attached for receiving bearings 16.
  • the lid 3 is also designed as a cylindrical neck open at the bottom, which has in its lower part on the outside an annular support plate 17 on which between the walls of the housing 2 and the cover 3, the seal 4 is arranged, which can be designed as a gland seal, sleeve seal or otherwise. Openings 18 are provided in the cover 3 for mounting and guiding the additional devices. As FIG. 2 shows, the openings 18 in the cover 3 are distributed on a circle, the radius of which is the same as the distance between the axes of the crucible 5 and the cover 3.
  • a cooled base 19 is mounted in the lower part of the crucible 5.
  • a nozzle 20 is attached to the outer surface of the housing 2.
  • the crucible 5 consists of longitudinally extending, electrically insulated, cooled sections or circular segments which are connected to one another without a gap in diameter and are enclosed in a hermetically sealed jacket 21 made of an electrically non-conductive material, for example made of glass fiber plastic, and with sealing inserts 22 arranged on the end faces thereof .
  • the vacuum induction furnace according to the invention operates as follows:
  • the base 19 with the feed material arranged thereon is introduced into the interior of the crucible 5 and hermetically sealed by means of the sealing inserts 22.
  • a working atmosphere is generated with a vacuum that is technically required in each case, the atmospheric pressure acting on the cover 3 on the outside.
  • this pressure is transmitted to the bearing 16, which between the frictional forces allow to overcome the support plates 15 and 17.
  • the induction coil 6 is switched on and, depending on the melting of the metal block, the crucible 5 is refilled with feed materials via the chamber 10.
  • the temperature of the melt is measured using the device 9.
  • Metal samples can be taken by means of the device 8 and alloy additives can be introduced via the dosing device 7 (FIG. 1).
  • the metal bath in the crucible 5 can be treated by means of the plasma jet generator 11.
  • the device 8 for depositing the material to be used is used in various moments of melting and refilling.
  • the devices mounted in the cover 3 are brought or moved by rotating the cover 3 with the aid of the drive 13 via the opening 14 in the base plate 1 until their respective axes match the axis of the crucible 5.
  • the induction coil 6 is switched off, the melt is allowed to solidify, the furnace is opened, the base 19 with the block is removed from the crucible 5, the block is removed and the base 19 is prepared for a new melt.
  • the technological possibilities for treating the metal bath are considerably expanded and the geometrical dimensions of both the furnace itself and all technological devices are reduced, namely by arranging the same directly above the upper edge of the crucible 5 and in that empty passages thereof A directions and dead zones of the operation of the metal bathroom mirror are excluded.
  • the invention can be used for melting high-melting, chemically active metals.
  • the invention can also be used for remelting the casting blocks of a metal for the purpose of cleaning it from gas and non-metallic inclusions, for melting special precision alloys based on heavy-melting and chemically active metals.

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Abstract

Der Vakuuminduktionsofen enthält einen mit einer Kühlung versehenen Metalltiegel (5), der von einer Induktionsspule (6) umgeben ist. Im unteren Teil des Tiegels (5) befindet sich ein kühlbarer Untersatz (19) als Halterung der Metallschmelze. Mit dem Tiegel (5) ist ein Gehäuse (2) einer hermetisch dichten Kammer verbunden, deren Deckel (3) mit einem Antrieb (13) zur Drehung um seine Mittelachse ausgestattet ist. Zwischen dem Deckel (3) und dem Gehäuse (2) ist eine Dichtung (4) angeordnet. Am Deckel (3) sind auf einem Kreis, dessen Radius (r) dem seitlichen Abstand zwischen den Mittelachsen des Tiegels (5) und des Deckels (3) entspricht, technologische Einrichtungen (7 bis 11) zur Führung und Überwachung des Schmelzvorgangs angebracht.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuuminduktionsofen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gat­tung, der zum Schmelzen von hochschmelzenden, chemisch aktiven Metallen, zum Umschmelzen von Gußblöcken eines Metalls zwecks dessen Reinigung von Gas- und nichtmetalli­schen Einschlüssen und auch zum Erschmelzen von Spezial-­Präzisionslegierungen auf der Basis von schwerschmelzenden und chemisch aktiven Metallen eingesetzt werden kann.
  • Bekannt ist ein Vakuuminduktionsofen / V. V. Linchevsky "Vakuumnaya induktsionnaya plavka" (Vakuumdinduktions­schmelzverfahren)", 1975, Verlag Metallurgia (Moskau), S. 147, Abb. 77 /, der eine hermetisch abschließbare Kam­mer mit einem darin untergebrachten Tiegel enthält, wel­cher von einer Induktionsspule umgeben ist. Am Deckel der Kammer sind Einrichtungen zur Führung und Überwachung des Schmelzvorgangs montiert. Dieser Ofen hat jedoch eine be­grenzte Bedienungszone des Schmelztiegels, und die Anwendung von zusätzlichen technologischen Einrichtungen in demselben ist beschränkt, weil diese Einrichtungen über dem Metall­badspiegel im relativ kleinen Tiegel so montiert werden müssen, daß ihre Achsen durch den Mittelpunkt des Metall­badspiegels verlaufen, der sich zudem in der Tiefe des Tiegels befindet. Da diese Forderung unmöglich erfüllt werden kann, werden solche Einrichtungen mit zusätzlichen Vorrichtungen wie Rinnen, Mulden u. dgl. versehen, was den Ofenbetrieb komplizierter macht und die Deckelabmessun­gen vergrößert.
  • Aus der SU-A-1 032 868 ist ein Vakuuminduktionsofen be­kannt, der einen von einer Induktionsspule umgebenen ge­kühlten Metalltiegel, einen im unteren Teil des Tiegels befindlichen gekühlten Untersatz und eine mit dem Tiegel verbundene hermetisch verschließbare Kammer enthält, die am Tiegel befestigt ist und Einrichtungen zur Führung und Überwachung des Schmelzvorgangs, d. h. ein Beobachtungs­fenster und einen Stutzen zur Erzeugung der Arbeitsatmos­phäre aufweist. Das Beobachtungsfenster liegt mittig im Kammerdeckel über dem Metallbadspiegel und der Stutzen an der Seitenwand der Kammer. Die konstruktive Ausführung des Kammerdeckels beschränkt die Anzahl der benutzten Ein­richtungen, was die Anwendungsmöglichkeiten des Tiegels auf das Umschmelzen des eingebrachten Metalls begrenzt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vakuumin­duktionsofen zu schaffen, bei dem zur Erweiterung seiner Einsatzmöglichkeiten eine größere Anzahl an Einrichtungen zur Führung und Überwachung des Schmelzvorgangs eingesetzt werden kann und dessen Abmessungen durch Annäherung dieser Einrichtungen unmittelbar an den Metallbadspiegel im Tiegel stark verringert ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Vakuuminduktionsofen, der einen gekühlten Metalltiegel, eine den Metalltiegel umge­bende Induktionsspule, einen im unteren Teil des Tiegels angeordneten gekühlten Untersatz und ein mit dem Tiegel verbundenes Gehäuse einer hermetischen Kammer, deren Deckel mit technologischen Einrichtungen zur Führung und Über­wachung des Schmelzens versehen ist, enthält, erfindungs­gemäß dadurch gelöst, daß die Kammer mit einem Antrieb zur Drehung des Deckels um seine Achse und mit einer Dich­tung ausgestattet ist, die sich zwischen dem Gehäuse und dem Deckel befindet, wobei die Einrichtungen zur Führung und Überwachung des Schmelzvorgangs am Deckel der hermeti­schen Kammer auf einem Kreis mit einem Radius angebracht sind, welcher dem Abstand zwischen den Achsen des Tiegels und des Deckels gleich ist.
  • Durch die Erfindung werden die Abmessungen der Einrich­tungen verringert und günstige Bedingungen für einen zu­verlässigen und bequemen Ofenbetrieb dank der Anordnung der Einrichtungen unmittelbar über dem Metallbadspiegel im Tiegel geschaffen.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels ausführlicher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht des Vakuum­induktionsofens im Längsschnitt;
    • Fig. 2 eine schematische Draufsicht des Vakuumin­duktionsofens.
  • Der dargestellte Vakuuminduktionsofen enthält eine herme­tisch verschließbare Kammer mit einer Grundplatte 1, auf der ein Gehäuse 2 montiert ist, einem napfförmigen Deckel 3 und einer Dichtung 4 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Deckel 3. Unter der Grundplatte 1 ist ein gekühlter Metall­tiegel 5 hermetisch installiert, der von einer Induktions­spule 6 umgeben ist. Am Deckel 3 sind Einrichtungen zur Führung und Überwachung des Schmelzvorgangs montiert, näm­lich ein Dosierer 7, eine Einrichtung 8 zum Durchschlagen von Brücken und zur Entnahme von Metallproben, eine Ein­richtung 9 zur Messung der Metalltemperatur, eine Kammer 10 zum Nachfüllen von Einsatzmaterialien, ein Plasmastrahl­erzeuger 11 und eine Beobachtungseinrichtung 12. Der Deckel 3 ist mit einem Antrieb 13 zur Drehung um die eigene Achse ausgestattet.
  • An der Grundplatte 1 sind alle Baugruppen des Vakuumin­duktionsofens montiert. Über eine Öffnung 14 steht der gekühlte Tiegel 5 mit der Kammer in Verbindung.
  • Das Gehäuse 2 ist ein zylindrischer, oben offener Stutzen, an dessen Innenfläche eine ringförmige Stützplatte 15 zur Aufnahme von Lagern 16 angebracht ist. Der Deckel 3 ist ebenfalls als unten offener zylindrischer Stutzen ausge­bildet, der in seinem unteren Teil auf der Außenseite eine ringförmige Stützplatte 17 besitzt, auf welcher zwischen den Wänden des Gehäuses 2 und des Deckels 3 die Dichtung 4 angeordnet ist, die als Stopfbuchsendichtung, Manschetten­dichtung oder andersartig ausgeführt sein kann. Im Deckel 3 sind Öffnungen 18 zur Montage und Führung der Zusatzein­richtungen vorgesehen. Wie Fig. 2 zeigt, sind die Öffnungen 18 im Deckel 3 auf einem Kreis verteilt, dessen Radius dem Abstand zwischen den Achsen des Tiegels 5 und des Deckels 3 gleich ist.
  • Im unteren Teil des Tiegels 5 ist ein gekühlter Untersatz 19 montiert. Zur Erzeugung der erforderlichen Arbeitsatmos­phäre in der Kammer und im Tiegel 5 ist an der Mantelfläche des Gehäuses 2 ein Stutzen 20 angebracht. Der Tiegel 5 besteht aus längsverlaufenden, elektrisch voneinander iso­lierten gekühlten Sektionen bzw. Kreissegmenten, die auf dem Durchmesser spaltlos miteinander verbunden und in einem hermetisch dichten Mantel 21 aus einem elektrisch nicht­leitenden Werkstoff, beispielsweise aus Glasfaserkunststoff, eingeschlossen sind und an deren Stirnseiten Dichtungsbei­lagen 22 angeordnet sind.
  • Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Vakuuminduktions­ofens ist folgende:
  • Der Untersatz 19 mit dem darauf angeordneten Einsatzgut wird ins Innere des Tiegels 5 eingeführt und mittels der Dichtungsbeilagen 22 hermetisiert. In der abgedichteten Kammer wird eine Arbeitsatmosphäre mit einem technisch jeweils erforderlichen Unterdruck erzeugt, wobei auf den Deckel 3 auf der Außenseite der atmosphärische Druck wirkt. Über die Stützplatte 17 des Gehäuses 2 wird dieser Druck auf die Lager 16 übertragen, die die Reibungskräfte zwi­ schen den Stützplatten 15 und 17 zu überwinden erlauben. Danach wird die Induktionsspule 6 eingeschaltet und je nach dem Aufschmelzen des Metallblocks wird der Tiegel 5 mit Einsatzmaterialien über die Kammer 10 nachgefüllt. Während des Schmelzvorgangs wird die Temperatur der Schmelze mit Hilfe der Einrichtung 9 gemessen. Metallproben können mittels der Einrichtung 8 entnommen und Legierungszusätze über den Dosierer 7 (Fig. 1) eingeführt werden. Zur Reini­gung von nichtmetallischen und Gaseinschlüssen kann das Metallbad im Tiegel 5 mittels des Plasmastrahlerzeugers 11 behandelt werden. Notwendigenfalls verwendet man in verschiedenen Momenten des Schmelzens und Nachfüllens die Einrichtung 8 zum Absetzen des Einsatzgutes. Die im Deckel 3 montierten Einrichtungen werden durch Verdrehen des Deckels 3 mit Hilfe des Antriebs 13 über die Öffnung 14 in der Grundplatte 1 bis zur Übereinstimmung ihrer jewei­ligen Achse mit der Achse des Tiegels 5 gebracht bzw. be­wegt.
  • Nach dem Aufschmelzen des Blocks schaltet man die Induk­tionsspule 6 ab, läßt die Schmelze erstarren, öffnet den Ofen, zieht den Untersatz 19 mit dem Block aus dem Tiegel 5 heraus, nimmt den Block ab und bereitet den Untersatz 19 auf eine neue Schmelze vor.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Vakuuminduktionsofen sind die technologischen Möglichkeiten der Behandlung des Metall­bads beträchtlich erweitert und die geometrischen Abmessun­gen sowohl des Ofens selber als auch sämtlicher technologi­schen Einrichtungen verringert, und zwar durch Anordnung derselben unmittelbar über der oberen Kante des Schmelz­tiegels 5 sowie dadurch, daß leere Durchgänge dieser Ein­ richtungen und tote Zonen der Bedienung des Metallbad­spiegels ausgeschlossen werden.
  • Die Erfindung kann zum Schmelzen von hochschmelzenden, chemisch aktiven Metallen angewendet werden. Die Erfindung kann auch zum Umschmelzen der Gußblöcke eines Metalls zwecks dessen Reinigung von Gas- und nichtmetallischen Einschlüs­sen, zum Erschmelzen von Spezial-Präzisionslegierungen auf der Basis von schwerschmelzenden und chemisch aktiven Metallen Anwendung finden.

Claims (4)

1. Vakuuminduktionsofen, bestehend aus einem hohlen herme­tisch dichten Metalltiegel (5), der eine Kühlung auf­weist und von einer Induktionsspule (6) umgeben ist,
aus einem im unteren Teil des Tiegels (5) angeordneten gekühlten Untersatz (19) zur Halterung der Metallprobe und
aus einem mit dem Tiegel (5) hermetisch dicht verbundenen Gehäuse (2), in dessen Deckel (3) Einrichtungen zur Führung und Überwachung des Schmelzvorgangs angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet ,
daß das Gehäuse (2) und der Tiegel (5) übereinander mit seitlich gegeneinander versetzten Mittelachsen ange­ordnet sind und daß die im Deckel (3) angeordneten Ein­richtungen (7-11) einzeln in die Mittelachse des Tiegels (5) bewegbar sind.
2. Vakuuminduktionsofen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das hohlzylindrische Gehäuse (2) mit einem Antrieb (13) zum Verdrehen des napfförmigen Deckels (3) und mit einer Drehdichtung (4) zwischen dem Gehäuse (2) und dem Deckel (3) ausgestattet ist, wobei die Einrich­tungen (7-11) zur Führung und Überwachung des Schmelz­vorgangs am Deckel (3) auf einem Kreis angeordnet sind, dessen Radius (r) dem Abstand zwischen den Mittelachsen des Tiegels (5) und des Deckels (3) entspricht.
3. Vakuuminduktionsofen nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mit einem seitlichen Absaugstutzen (20) ver­sehene Gehäuse (2) auf der Oberseite und der Tiegel (5) an der Unterseite einer Tragplatte (1) montiert sind, in der eine auf die Mittelachse des Tiegels (5) zentrierte Durchgangsöffnung (14) angeordnet ist.
4. Vakuuminduktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen je einem an der Innenwand des Gehäuses (2) bzw. der Außenwand des Deckels (3) befestigten Ringflansch (15 bzw. 17) ein Lager (16) angeordnet ist.
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