RU128530U1

RU128530U1 - MELTING AND FILLING PLANT FOR PRODUCING INGOTS FROM COMPOSITE MATERIALS

Info

Publication number: RU128530U1
Application number: RU2012149406/02U
Authority: RU
Inventors: Владислав Игоревич Лузгин; Александр Юрьевич Петров; Федор Никитович Сарапулов; Василий Эдуардович Фризен; Наталья Васильевна Коробова; Александр Михайлович Дмитриев; Светлана Юрьевна Шевченко; Анатолий Юрьевич Аксененко
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-05-27

Abstract

1. Плавильно-заливочная установка для получения слитков из композиционных материалов, преимущественно слитков из алюминиевых сплавов, содержащая пространственно-разнесенные плавильный агрегат, металлоприемник с устройством управляемого донного слива расплава и кристаллизатор с магнитогидродинамическим перемешивателем и механизмом вытяжки слитка, а также средства для подачи защитного газа, отличающаяся тем, что плавильный агрегат выполнен в виде турбоиндукционной тигельной печи, металлоприемник установлен непосредственно над кристаллизатором, при этом его рабочий объем соответствует рабочему объему плавильного агрегата, а средства для подачи защитного газа расположены в металлоприемнике и турбоиндукционной печи в зонах подачи обрабатываемого материала.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что металлоприемник снабжен индуктором, охватывающим его боковые стенки.3. Установка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что магнитогидродинамический перемешиватель кристаллизатора выполнен в виде, например, шести коаксиально расположенных плоских катушек, установленных с возможностью создания бегущего электромагнитного поля над фронтом затвердевания слитка при трехфазном электропитании.1. A smelting and casting plant for producing ingots from composite materials, mainly ingots from aluminum alloys, containing a spatially spaced melting unit, a metal receiver with a device for controlled bottom discharge of the melt, and a crystallizer with a magnetohydrodynamic mixer and an ingot extraction mechanism, as well as means for supplying protective gas characterized in that the melting unit is made in the form of a turbo-induction crucible furnace, a metal detector is mounted directly above the cree tallizatorom, while its working volume corresponds to the operating volume of the melting furnace, and means for supplying a protective gas are arranged within the metal and oven zones turboinduktsionnoy feed processed materiala.2. Installation according to claim 1, characterized in that the metal detector is equipped with an inductor covering its side walls. Installation according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the magnetohydrodynamic mixer of the mold is made in the form, for example, of six coaxially arranged flat coils mounted with the possibility of creating a traveling electromagnetic field above the solidification front of the ingot during three-phase power supply.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области металлургии, а именно к оборудованию для плавки шихты, получения слитков из композиционных материалов, преимущественно слитков из алюминиевых сплавов, с заданными параметрами микроструктуры, которые в дальнейшем используются для получения высококачественных фасонных изделий, например, в технологиях тиксолитья, разработанных, в последнее время на стыке традиционных технологий литья и штамповки. Технология тиксолитья позволяет получить фасонные отливки из сплавов, находящихся в твердожидком состоянии.The proposed utility model relates to the field of metallurgy, and in particular to equipment for melting the charge, producing ingots from composite materials, mainly ingots from aluminum alloys, with specified microstructure parameters, which are further used to obtain high-quality shaped products, for example, in thixolining technologies developed , recently at the junction of traditional casting and stamping technologies. The technology of thix casting makes it possible to obtain shaped castings from alloys in a solid-liquid state.

Из современного уровня техники известно устройство для плавки шихты, выполненное в виде индукционной печи с донным вращателем. Печь имеет традиционную конструкцию индукционной тигельной печи открытого исполнения. В ее донной части установлен электромагнитный вращатель низкой частоты, создающий круговое бегущее электромагнитное поле, вызывающее вращение всей массы металла в печи и образование лунки на поверхности расплава, в которой под слоем шлака с высокой эффективностью проводится технологическая обработка расплава (JP 2004108666 А 08.04.2011).The prior art device for melting the charge, made in the form of an induction furnace with a bottom rotator. The furnace has a traditional design of an open-type induction crucible furnace. In its bottom part, a low-frequency electromagnetic rotator is installed, creating a circular traveling electromagnetic field, causing the rotation of the entire mass of metal in the furnace and the formation of a hole on the surface of the melt, in which the melt is processed under a layer of slag with high efficiency (JP 2004108666 A 04/08/2011) .

Недостатком индукционной тигельной печи с донным вращателем является обеспечение вращения всей массы металла, создающей высокое гидростатическое давление, при котором в рабочем режиме идет высокоинтенсивный износ футеровки печи. Также конструкция данного устройства не предусматривает обеспечение получения слитков путем кристаллизации под воздействием электромагнитного перемешивания расплава.The disadvantage of an induction crucible furnace with a bottom rotator is the provision of rotation of the entire mass of metal, which creates high hydrostatic pressure, at which high-intensity wear of the furnace lining is in operation. Also, the design of this device does not provide for the production of ingots by crystallization under the influence of electromagnetic mixing of the melt.

Известно устройство для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в кристаллизаторе, обеспечивающее перемешивание расплава в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. Устройство содержит магнитопровод в виде ферромагнитной части кристаллизатора с многофазной обмоткой. С верхней и нижней сторон кристаллизатора расположены по две катушки, выполненные концентрическими и подключенные к разным фазам. Две катушки, расположенные по разные стороны кристаллизатора симметрично относительно аксиальной оси слитка, подключены к одной фазе встречно, а две другие подключены к другой фазе согласно (RU 2237542 С1 10.10.2004).A device for electromagnetic stirring of the liquid core of an ingot in a crystallizer is known, which provides melt mixing in horizontal and vertical planes. The device comprises a magnetic circuit in the form of a ferromagnetic part of a mold with a multiphase winding. Two coils are arranged on the upper and lower sides of the mold, made concentric and connected to different phases. Two coils located on opposite sides of the mold symmetrically with respect to the axial axis of the ingot are connected to one phase in the opposite direction, and the other two are connected to the other phase according to (RU 2237542 C1 10.10.2004).

Недостатком данного устройства является необходимость непрерывной подачи расплава в зону кристаллизации и контроля уровня расплава при обеспечении должной производительности установки.The disadvantage of this device is the need for continuous supply of the melt into the crystallization zone and control of the level of the melt while ensuring proper installation performance.

Наиболее близким по технической сути является устройство плавильно-заливочное с магнитогидродинамическим перемешиванием затвердевающего расплава. Устройство включает в себя плавильную печь с донным сливом, промежуточный ковш с возможностью подачи аргона и средством управляемого донного слива расплава, кристаллизатор с магнитогидродинамическим перемешиванием и механизмом вытяжки слитка (Борисов В.Г. Технология получения слитков из алюминиевых сплавов с недендритной тиксотропной структурой // Металлург. 2008. №11 стр.100).The closest in technical essence is a melting-casting device with magnetohydrodynamic mixing of the solidified melt. The device includes a melting furnace with bottom discharge, an intermediate ladle with the possibility of feeding argon and a means of controlled bottom discharge of the melt, a mold with magnetohydrodynamic mixing and an ingot extraction mechanism (Borisov V.G. Technology for producing ingots from aluminum alloys with a non-dendrite thixotropic structure // Metallurgist . 2008. No. 11 p. 100).

Недостатком является применение в качестве плавильного агрегата топливного плавильного агрегата или электропечи, а также значительный отход металла, возникающий из-за конструктивных особенностей ковша, являющегося по своей сути металлоприемником. Конструкция и функциональные возможности металлоприемника в данном случае не позволяют проводить термовременную обработку расплава, что может сказываться на качестве получаемого слитка.The disadvantage is the use as a melting unit of a fuel melting unit or electric furnace, as well as significant metal waste resulting from the design features of the bucket, which is essentially a metal receiver. The design and functionality of the metal receiver in this case do not allow the thermal treatment of the melt, which may affect the quality of the obtained ingot.

Использование плавильной печи в виде топливного агрегата или электропечи характеризуется тем, что отсутствие средств управления перемешиванием металла в процессе технологической обработки не обеспечивает равномерность распределения температуры и гомогенность расплава, наблюдается ликвация сплава. Особенно это проявляется при получении сложных композиционных сплавов.The use of a melting furnace in the form of a fuel unit or an electric furnace is characterized by the fact that the absence of metal stirring controls during the technological processing does not ensure uniform temperature distribution and melt homogeneity; alloy segregation is observed. This is especially manifested in the preparation of complex composite alloys.

Также недостатком прототипа является низкая производительность, связанная с необходимостью приостанавливать разливку при малом содержании расплава в печи.Another disadvantage of the prototype is the low productivity associated with the need to suspend casting at a low melt content in the furnace.

Предлагаемая полезная модель позволяет устранить отмеченные недостатки прототипа. Таким образом, технический результат полезной модели заключается в том, что обеспечивается увеличение производительности, повышение качества при изготовлении слитков из композиционных сплавов при снижении отходов.The proposed utility model allows to eliminate the noted disadvantages of the prototype. Thus, the technical result of the utility model is that it provides increased productivity, improved quality in the manufacture of ingots from composite alloys while reducing waste.

Указанный технический результат достигается тем, что плавильно - заливочная установка для получения слитков из композиционных материалов, преимущественно слитков из алюминиевых сплавов, содержит пространственно-разнесенные плавильный агрегат, металлоприемник с устройством управляемого донного слива расплава и кристаллизатор с магнитогидродинамическим перемешивателем и механизмом вытяжки слитка, а также средства для подачи защитного газа, согласно полезной модели, плавильный агрегат выполнен в виде турбоиндукционной тигельной печи, металлоприемник установлен непосредственно над кристаллизатором, при этом его рабочий объем соответствует рабочему объему плавильного агрегата, а средства для подачи защитного газа расположены в металлоприемнике и турбоиндукционной печи в зоне подачи обрабатываемого материала.The specified technical result is achieved by the fact that the melting and casting plant for producing ingots from composite materials, mainly ingots from aluminum alloys, contains a spatially spaced melting unit, a metal receiver with a device for controlled bottom discharge of the melt and a crystallizer with a magnetohydrodynamic mixer and an ingot extraction mechanism, as well as means for supplying a protective gas, according to a utility model, the melting unit is made in the form of a turbo-induction crucible and hearth installed directly above the mold, while its working volume corresponds to the operating volume of the melting furnace, and means for supplying a protective gas are arranged within the metal and turboinduktsionnoy furnace zone feed material being treated.

Кроме того, преимущественно, металлоприемник снабжен индуктором, установленным с возможностью охвата боковых стенок.In addition, mainly, the metal detector is equipped with an inductor installed with the possibility of coverage of the side walls.

Магнитогидродинамический перемешиватель кристаллизатора может быть выполнен в виде, например, шести коаксиально расположенных плоских катушек, установленных с возможностью создания и обеспечения бегущего электромагнитного поля над фронтом затвердевания слитка при трехфазном электропитании.The magnetohydrodynamic mixer of the crystallizer can be made, for example, in the form of six coaxially arranged flat coils installed with the possibility of creating and providing a traveling electromagnetic field above the solidification front of the ingot during three-phase power supply.

Предлагаемая плавильно-заливочная установка для получения слитков из композиционных материалов, схема конструкции которой приведена на фиг.1, состоит из турбоиндукционной тигельной печи 1.The proposed melting and casting plant for producing ingots from composite materials, the construction scheme of which is shown in Fig. 1, consists of a turbo-induction crucible furnace 1.

В предлагаемой установке в качестве плавильного агрегата используется турбоиндукционная тигельная печь, поскольку ее конструктив обеспечивает активное перемешивание расплава, вследствие чего проходит скоростная плавка металла, а также за счет естественного тороидального движения вдоль оси тигля под действием электромагнитного давления на ванну расплава, создаваемого высокочастотным индуктором и за счет вращательного движения вокруг оси, создаваемого трехфазным круговым линейным двигателем низкой частоты. Конструктивная особенность турбоиндукционной тигельной печи заключается в следующем, тигель выполнен из двух частей - цилиндрической формы в нижней части и чашеобразной формы в верхней части, под которой размещен вращающий индуктор. Греющий индуктор высокой частоты размещен в нижней части печи, с помощью которого осуществляется плавка металла. Верхний вращающий индуктор создает бегущее электромагнитное поле низкой частоты и вызывает вращение металла в верхней чашеобразной части тигля. При относительно невысоком гидростатическом давлении вращательное движение металла не вызывает быстрого износа футеровки и обеспечивает достаточный ресурс ее работы. На поверхности металла образуется лунка, площадь которой значительно больше, что позволяет подогреть шлак и повысить эффективность его взаимодействия с металлом за счет турбулентного скольжения металла в подшлаковом слое. В объеме всей жидкой ванны металл совершает двухплоскостное движение и активно перемешивается, что обеспечивает выравнивание температуры, химического состава и гомогенность расплава, и что особенно эффективно при технологических операциях легирования, модифицирования и допирования расплава порошковыми материалами для получения композиционных сплавов.In the proposed installation, a turbo-induction crucible furnace is used as a melting unit, since its design provides active mixing of the melt, as a result of which high-speed melting of the metal takes place, and also due to the natural toroidal movement along the axis of the crucible under the influence of electromagnetic pressure on the melt bath created by the high-frequency inductor and beyond the account of the rotational motion around the axis created by the three-phase circular linear low-frequency motor. The design feature of the turbo-induction crucible furnace is as follows, the crucible is made of two parts - a cylindrical shape in the lower part and a cup-shaped shape in the upper part, under which the rotating inductor is placed. A high-frequency heating inductor is located in the lower part of the furnace, with which metal is melted. The upper rotating inductor creates a traveling electromagnetic field of low frequency and causes the rotation of the metal in the upper cup-shaped part of the crucible. At relatively low hydrostatic pressure, the rotational movement of the metal does not cause rapid wear of the lining and provides a sufficient resource for its operation. A hole is formed on the metal surface, the area of which is much larger, which allows the slag to be heated and its interaction with the metal to increase due to the turbulent sliding of the metal in the sub-slag layer. In the volume of the entire liquid bath, the metal performs a two-plane motion and is actively mixed, which ensures equalization of temperature, chemical composition and homogeneity of the melt, and which is especially effective during technological operations of alloying, modifying and doping the melt with powder materials to obtain composite alloys.

Турбоиндукционная тигельная печь осуществляет порционную плавку, двухплоскостное вращение композиционного сплава и подачу его в металлоприемник. Причем, вытяжка слитка и плавка порции композиционного сплава производятся одновременно.The turbo-induction crucible furnace performs batch melting, two-plane rotation of the composite alloy and its supply to the metal receiver. Moreover, the extraction of the ingot and the melting of a portion of the composite alloy are carried out simultaneously.

Установка также снабжена тиглем 2, снаружи которого установлен греющий индуктор 3, магнитопроводы 4 и вращающий индуктор 5. Печь 1 выполнена с огнеупорным днищем 6. В крышке 7 тигельной печи 1 выполнены: устройство 8 для подачи и ввода в расплав легирующих материалов, через которое осуществляют подачу и ввод в расплав легирующих и модифицирующих материалов 9; а также средства для подачи защитного газа, например, в виде форсунок 10 для создания защитной атмосферы.The installation is also equipped with a crucible 2, outside of which a heating inductor 3, magnetic circuits 4 and a rotating inductor 5 are installed. The furnace 1 is made with a refractory bottom 6. In the lid 7 of the crucible furnace 1 are made: a device 8 for supplying and introducing alloy materials into the melt, through which feeding and entering into the melt alloying and modifying materials 9; and also means for supplying a protective gas, for example, in the form of nozzles 10 for creating a protective atmosphere.

Плавильно-заливочная установка также содержит кристаллизатор 11, состоящий из тепловой насадки 12, механизма 13 вытяжки слитка и магнитогидродинамического (МГД) перемешивателя 14 с индуктором 15. Над кристаллизатором 11 через тепловую надставку 16 устанавливается металлоприемник 17 с индуктором 18, устройством 19 управляемого донного слива расплава со стопором 20 и крышкой 21, в которой установлены форсунки 22 для подачи инертного газа и технологическое отверстие 23 для установки устройства 19 управляемого донного слива.The smelting and filling installation also contains a mold 11, consisting of a heat nozzle 12, an ingot drawing mechanism 13 and a magnetohydrodynamic (MHD) mixer 14 with an inductor 15. A metal receiver 17 with an inductor 18, a device 19 for controlling the bottom melt discharge, is installed over the mold 11 through a heat extension 16 with a stopper 20 and a cover 21, in which nozzles 22 for supplying an inert gas and a technological hole 23 for installing a device 19 for controlled bottom discharge are installed.

Плавильно-заливочная установка работает следующим образом.Smelting installation works as follows.

Турбоиндукционная тигельная печь 1 загружается шихтой при открытой крышке 7, далее подается ток высокой частоты на греющий индуктор 3. Через форсунки 10 подается защитный газ для предотвращения окисления металла. После наплавления металла в тигле 2 печи 1 подается ток низкой частоты во вращающий индуктор 5. Расплав вращается вокруг оси тигля 2 и циркулирует в зоне нижней части индуктора 3 вдоль оси и стенок тигля 2. На поверхности металла под действием центробежных сил формируется лунка, в которой образуется шлак. На этапе технологической обработки через устройство 8 подаются легирующие и модифицирующие материалы 9, которые за счет диффузии в турбулентном слое скольжения под шлаком взаимодействуют с металлом и проникают в ванну расплава.The turbo-induction crucible furnace 1 is loaded with the charge with the cover 7 open, then a high-frequency current is supplied to the heating inductor 3. Shielding gas is supplied through the nozzles 10 to prevent metal oxidation. After the metal is deposited in the crucible 2 of the furnace 1, a low-frequency current is supplied to the rotating inductor 5. The melt rotates around the axis of the crucible 2 and circulates in the lower part of the inductor 3 along the axis and walls of the crucible 2. A hole is formed on the metal surface under the action of centrifugal forces, in which slag is formed. At the stage of technological processing, alloying and modifying materials 9 are fed through the device 8, which, due to diffusion in the turbulent slip layer under the slag, interact with the metal and penetrate into the molten bath.

После приготовления порции композиционного сплава тигель 2 турбоиндукционной печи 1 поворачивается примерно на 100 град., обеспечивая при этом перелив металла в металлоприемник 17. Затем подается ток промышленной частоты в подогревающий индуктор 18 и индуктор 15 МГД перемешивателя 14, затем после достижения требуемых параметров поднимается стопор 20 устройства 19 управляемого донного слива расплава. Металл попадает в кристаллизатор 11 и начинается процесс вытяжки слитка механизмом 13. Над фронтом затвердевания циркулирует аксиальный поток металла под действием бегущего электромагнитного поля МГД перемешивателя 14. Во время вытяжки слитка осуществляется подогрев и перемешивание расплава в металлоприемнике 17 электромагнитным полем индуктора 18.After preparing a portion of the composite alloy, the crucible 2 of the turbo-induction furnace 1 rotates by about 100 degrees, while providing a metal overflow into the metal receiver 17. Then, an industrial frequency current is supplied to the heating inductor 18 and the MHD inductor 15 of the mixer 14, then after reaching the required parameters, the stopper 20 device 19 controlled bottom discharge of the melt. The metal enters the crystallizer 11 and the process of drawing the ingot by the mechanism 13 begins. The axial metal flow circulates under the action of the traveling electromagnetic field of the MHD mixer 14. The melt is heated and the melt is mixed in the metal receiver 17 with the electromagnetic field of the inductor 18.

Одновременно с началом вытяжки слитка тигель 2 турбоиндукционной печи 1 возвращается в исходное состояние, загружается шихтой и начинается следующий цикл плавки. При равном времени вытяжки слитка и времени плавки порции композиционного сплава достигается наибольшая производительность установки, снижается установленная мощность оборудования, что обеспечивает снижение приведенных затрат при производстве слитков из композиционных сплавов.Simultaneously with the beginning of the extraction of the ingot, the crucible 2 of the turbo-induction furnace 1 returns to its initial state, is loaded with a charge, and the next melting cycle begins. When the ingot draw time and the melting time of a portion of the composite alloy are equal, the highest productivity of the installation is achieved, the installed capacity of the equipment is reduced, which reduces the costs involved in the production of ingots from composite alloys.

Таким образом, предлагаемая плавильно-заливочная установка для получения слитков из композиционных сплавов обеспечивает выполнение указанного технического результата, а именно - увеличение производительности за счет одновременной плавки и вытяжки слитка, повышение качества при изготовлении слитков из композиционных материалов за счет гомогенизации расплава путем перемешивания во время плавки и разливки с кристаллизацией, при сопутствующем снижении отходов материала, которое обеспечено компоновкой установки и конструктивным исполнением входящих в состав узлов.Thus, the proposed melting and casting plant for producing ingots from composite alloys provides the specified technical result, namely, an increase in productivity due to the simultaneous melting and drawing of the ingot, improving the quality in the manufacture of ingots from composite materials due to homogenization of the melt by mixing during melting and casting with crystallization, with a concomitant reduction in waste material, which is provided by the layout of the installation and structural use neniem included in the units.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.The analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the characteristics indicated in the independent claim are interrelated with each other with the formation of a stable population, unknown at the priority date from the prior art, of the necessary features sufficient to obtain the required synergistic (over-total) technical result.

Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.The properties regulated in the claimed compound by individual features are well known in the art and require no further explanation.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для получения слитков из композиционных материалов;- the object embodying the claimed technical solution, in its implementation is intended to produce ingots from composite materials;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the claimed object in the form as described in the independent claim of the utility model formula, the possibility of its implementation using the means and methods known from the prior art on the priority date as described in the application materials is confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствуют условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed subject matter meets the patentability conditions of “novelty” and “industrial applicability” under applicable law.

Claims

1. A smelting and casting plant for producing ingots from composite materials, mainly ingots from aluminum alloys, containing a spatially spaced melting unit, a metal receiver with a device for controlled bottom discharge of the melt, and a crystallizer with a magnetohydrodynamic mixer and an ingot extraction mechanism, as well as means for supplying protective gas characterized in that the melting unit is made in the form of a turbo-induction crucible furnace, a metal detector is mounted directly above the cree tallizatorom, while its working volume corresponds to the operating volume of the melting furnace, and means for supplying a protective gas are arranged within the metal and oven zones turboinduktsionnoy feed material being treated.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the metal detector is equipped with an inductor covering its side walls.

3. Installation according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the magnetohydrodynamic mixer of the crystallizer is made in the form, for example, of six coaxially arranged flat coils installed with the possibility of creating a traveling electromagnetic field above the solidification front of the ingot during three-phase power supply.