RU160349U1

RU160349U1 - MELTING BLOCK WITH A SECTIONAL COLD TIGLE FOR Smelting active refractory metals and their alloys

Info

Publication number: RU160349U1
Application number: RU2015122153/02U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Орыщенко; Валерий Петрович Леонов; Андрей Викторович Константинов; Валерий Вячеславович Дьяков; Николай Николаевич Чупятов; Александр Иванович Фокичев
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2016-03-20

Abstract

Плавильный блок для плавки активных тугоплавких металлов и сплавов, содержащий холодный плавильный тигель, выполненный из металлических охлаждаемых изолированных друг от друга секций и охлаждаемого дна, с нанесенным на образуемую ими внутреннюю поверхность тигля электроизоляционным покрытием, охлаждаемый индуктор, выполненный в виде параллельно расположенных вокруг тигля витков медных трубок, и концентраторы магнитного поля, выполненные в виде магнитопровода из пластин листовой электротехнической стали, закрепленных снаружи индуктора, и напорный и сливной коллекторы для охлаждения тигля, расположеннные в его нижней части, отличающийся тем, что два витка индуктора расположены ниже плоскости дна тигля, а концентраторы магнитного поля расположены по периметру индуктора с образованием промежутков между ними, один из которых равен 2L, где L - длина дуги, соответствующая центральному углу в 90.A melting unit for melting active refractory metals and alloys, comprising a cold melting crucible made of metal cooled sections isolated from each other and a cooled bottom, with an insulating coating deposited on the inner surface of the crucible formed by them, a cooled inductor made in the form of turns parallel to each other around the crucible copper tubes, and magnetic field concentrators, made in the form of a magnetic circuit from plates of sheet electrical steel, fixed outside the inductor torus, and pressure and drain collectors for cooling the crucible, located in its lower part, characterized in that the two turns of the inductor are located below the plane of the bottom of the crucible, and the magnetic field concentrators are located around the perimeter of the inductor with the formation of gaps between them, one of which is 2L, where L is the length of the arc corresponding to the central angle of 90.

Description

Полезная модель относится к области электрометаллургии, в частности к индукционным вакуумным плавильным печам для плавки металлов и сплавов.The utility model relates to the field of electrometallurgy, in particular to induction vacuum melting furnaces for melting metals and alloys.

Известна вакуумная индукционная печь с холодным тиглем, содержащая вакуумную камеру с холодным тиглем и индуктором (Тир Л.И Губченко А. Индукционные плавильные печи для процессов повышенной точности и чистоты. - М.: Энергоиздат, 1988, с. 74).Known vacuum induction furnace with a cold crucible containing a vacuum chamber with a cold crucible and inductor (Tir L.I. Gubchenko A. Induction melting furnaces for processes of high accuracy and purity. - M .: Energoizdat, 1988, p. 74).

Известно также устройство индукционной вакуумной печи с холодным тиглем, выполненным из секций, включающее индуктор и вакуум-камеру, выполненную в виде полого цилиндра из неэлектропроводного материала, расположенного между индуктором и холодным тиглем, который установлен в вакуум-камере с зазором (RU 2096713, F27D 11/06,1997).Also known is a device for an induction vacuum furnace with a cold crucible made of sections, including an inductor and a vacuum chamber made in the form of a hollow cylinder of non-conductive material located between the inductor and a cold crucible, which is installed in the vacuum chamber with a gap (RU 2096713, F27D 11 / 06.1997).

Однако металлы и сплавы, полученные в известных устройствах, загрязнены материалами тигля.However, metals and alloys obtained in known devices are contaminated with crucible materials.

Известен блок для плавки активных тугоплавких металлов и их сплавов, содержащий холодный плавильный тигель, выполненный из металлических охлаждаемых изолированных друг от друга секций и охлаждаемого дна, а также охлаждаемый индуктор, выполненный из параллельно расположенных медных трубок, образующих витки вокруг тигля, и концентратор магнитного поля, выполненный в виде магнитопровода из пластин листовой электротехнической стали, закрепленных снаружи индуктора по его по периметру. Для охлаждения плавильного блока напорный и сливной коллекторы расположены в его нижней части. (RU 128302 U1, F27B 14/00, 2013) - Прототип.A known unit for melting active refractory metals and their alloys, containing a cold melting crucible made of metal cooled sections isolated from each other and a cooled bottom, as well as a cooled inductor made of parallel copper tubes forming turns around the crucible, and a magnetic field concentrator made in the form of a magnetic circuit from plates of sheet electrical steel, fixed outside the inductor along its perimeter. For cooling the melting unit, the pressure and drain manifolds are located in its lower part. (RU 128302 U1, F27B 14/00, 2013) - Prototype.

Известная конструкция плавильного блока обеспечивает минимизацию контакта расплава со стенками «холодного» тигля, за счет чего повышает чистоту получаемого материала. Однако конструкция плавильного блока препятствует получению однородной структуры сплава.The known design of the melting unit minimizes the contact of the melt with the walls of the "cold" crucible, thereby increasing the purity of the resulting material. However, the design of the melting unit prevents a uniform alloy structure from being obtained.

Тигельная печь представляет собой относительно короткую электромагнитную систему, поэтому электродинамические силы направлены строго радиально только в средней по высоте части тигля. Ближе к верхнему и нижнему торцам тигля, где магнитное поле искажается, и линии его не проходят параллельно оси, радиальная составляющая электродинамических сил уменьшается. Под действием такой системы сил металл в средней части тигля перетекает от периферии к оси, затем по оси тигля выжимается вверх к зеркалу ванны и вниз - ко дну тигля. Вверху и внизу он перетекает к стенкам и вдоль стенок возвращается к средней части тигля, совершая, так называемую, двухконтурную циркуляцию. При этом в каждом из контуров, т.е. в верхней и нижней половинах ванны, металл циркулирует практически раздельно, слабо смешиваясь, что препятствует получению однородной структуры сплава.The crucible furnace is a relatively short electromagnetic system, so the electrodynamic forces are directed strictly radially only in the middle part of the crucible. Closer to the upper and lower ends of the crucible, where the magnetic field is distorted, and its lines do not pass parallel to the axis, the radial component of the electrodynamic forces decreases. Under the action of such a system of forces, the metal in the middle part of the crucible flows from the periphery to the axis, then along the axis of the crucible it is squeezed up to the bath mirror and down to the bottom of the crucible. Above and below, it flows to the walls and along the walls it returns to the middle part of the crucible, making the so-called double-circuit circulation. Moreover, in each of the circuits, i.e. in the upper and lower halves of the bath, the metal circulates almost separately, mixing slightly, which prevents the formation of a homogeneous alloy structure.

Техническим результатом является создание конструкции плавильного блока, позволяющего получить гомогенный материал плавки с идентичным химическим составом по всему объему.The technical result is the creation of a design of the melting unit, which allows to obtain a homogeneous melting material with identical chemical composition throughout the volume.

Указанный технический результат достигается тем, что в плавильном блоке для плавки активных тугоплавких металлов и их сплавов, содержащем холодный плавильный тигель, выполненный из металлических охлаждаемых изолированных друг от друга секций и охлаждаемого дна, с нанесенным на образуемую ими внутреннюю поверхность тигля, по крайней мере, одним электроизоляционным покрытием, охлаждаемый индуктор, выполненный из параллельно расположенных медных трубок, образующих витки вокруг тигля, и концентратор магнитного поля, выполненный в виде магнитопровода из пластин листовой электротехнической стали, закрепленных снаружи индуктора по его по периметру, а также напорный и сливной коллекторы для охлаждения тигля, расположенные в его нижней части, в соответствии с заявляемой полезной моделью, один или два витка индуктора расположены ниже плоскости дна тигля, а концентраторы магнитного поля установлены так, что один из равных промежутков L между ними равен 2L.The specified technical result is achieved by the fact that in the melting unit for melting active refractory metals and their alloys, containing a cold melting crucible made of metal cooled sections isolated from each other and a cooled bottom, with at least one deposited on the inner surface of the crucible formed by them one electrically insulating coating, a cooled inductor made of parallel copper tubes forming turns around the crucible, and a magnetic field concentrator made in the form of a pressure pipe made of plates of electrical steel sheets fixed around the perimeter of the inductor along the perimeter, as well as pressure and drain manifolds for cooling the crucible located in its lower part, in accordance with the claimed utility model, one or two turns of the inductor are located below the plane of the bottom of the crucible, and magnetic field concentrators are installed so that one of the equal gaps L between them is equal to 2L.

Размещение одного или двух витков индуктора ниже плоскости дна тигля позволяет сместить зону плавки в верхнюю часть тигля, за счет чего происходит повышение радиальных сил, действующих на расплав в нижней части тигля (как известно, силы обжатия металла магнитным полем ослабевают от центра сечения тигля к его торцам). В данном случае интенсивность магнитного потока у основания и в центральной части тигля уравновешиваются, как и удельная электродинамическая сила, приложенная к единице объема жидкого металла (данная сила пропорциональна подводимой к металлу мощности). При этом происходит статическое обжатие всего расплава, что приводит к выдавливанию металла вверх с образованием выпуклого мениска на поверхности расплава. С возрастанием высоты мениска увеличивается гидростатическое давление по оси тигля, вследствие чего, силы гидростатического сжатия на дне ванны препятствуют сдавливанию металла силами электромагнитного взаимодействия, и возникают предпосылки к формированию в расплаве второго контура циркуляции, как это происходит при осуществлении плавки в плавильном блоке, конструкция которого взята нами за прототип. То есть система пытается перейти в динамическое равновесие.Placing one or two turns of the inductor below the plane of the bottom of the crucible allows you to shift the melting zone to the upper part of the crucible, due to which there is an increase in the radial forces acting on the melt in the lower part of the crucible (as is known, the compression forces of the metal by the magnetic field weaken from the center of the crucible section to its ends). In this case, the magnetic flux intensity at the base and in the central part of the crucible is balanced, as well as the specific electrodynamic force applied to a unit volume of liquid metal (this force is proportional to the power supplied to the metal). In this case, a static compression of the entire melt occurs, which leads to the extrusion of the metal up with the formation of a convex meniscus on the surface of the melt. As the meniscus height increases, the hydrostatic pressure along the axis of the crucible increases, as a result of which the hydrostatic compression forces at the bottom of the bath prevent the metal from being squeezed by electromagnetic forces, and there are prerequisites for the formation of a second circulation circuit in the melt, as occurs during melting in a melting unit, the design of which taken by us as a prototype. That is, the system is trying to go into dynamic equilibrium.

Для нарушения данного равновесия концентраторы магнитного поля установлены по периметру индуктора с равными промежутками, но один из промежутков в два раза превышает остальные. Это способствует искажению магнитного потока и возникновению градиента напряженности магнитного поля, как у поверхности расплава, так и в изолированных друг от друга секциях охлаждаемого тигля. Эти явления провоцируют искажение формы мениска электродинамическими силами и заставляют область высокого давления сместиться от центральной части тигля, нарушая равновесие системы. Гидростатическое давление на оси тигля уменьшается, вследствие чего возникает одноконтурная циркуляция, и расплав в тигле активно перемешивается, что позволяет получить гомогенный материал плавки с идентичным химическим составом по всему объему.To violate this equilibrium, magnetic field concentrators are installed along the perimeter of the inductor with equal intervals, but one of the gaps is twice as large as the others. This contributes to the distortion of the magnetic flux and the appearance of a magnetic field gradient, both at the surface of the melt and in sections of the cooled crucible isolated from each other. These phenomena provoke a distortion of the meniscus shape by electrodynamic forces and cause the high-pressure region to shift from the central part of the crucible, disrupting the balance of the system. The hydrostatic pressure on the axis of the crucible decreases, as a result of which a single-circuit circulation occurs, and the melt in the crucible is actively mixed, which makes it possible to obtain a homogeneous melting material with an identical chemical composition throughout the volume.

Для достижения технического результата достаточно разместить не более двух витков индуктора ниже плоскости дна тигля. Увеличение количества витков не оказывает существенного влияния на результат, но снижает энергоэффективность процесса. К снижению энергоэффективности процесса вследствие потерь энергии ведет и увеличение заявленного удвоенного промежутка между концентраторами магнитного поля.To achieve a technical result, it is sufficient to place no more than two turns of the inductor below the plane of the bottom of the crucible. The increase in the number of turns does not significantly affect the result, but reduces the energy efficiency of the process. To reduce the energy efficiency of the process due to energy losses leads to an increase in the declared doubled gap between the concentrators of the magnetic field.

Выполнение плавильного блока с использованием электромагнитного силового воздействия, созданного переменным током в индукторе, позволяет минимизировать контакт расплава со стенками “холодного” тигля, добиваясь, таким образом, высокой чистоты получаемого материала. Наличие зазоров между отдельными секциями плавильного тигля, исключают наведение в тигле кольцевых токов, обратных току индуктора и экранирующих садку тигля. При плавке металла в тигле существует замыкание между секциями через металл. Для предотвращения таких токов на внутреннюю поверхность каждой секции тигля наносят специальное композиционное многослойное покрытие для электрической изоляции и высокой теплостойкости внутренних стенок тигля. Магнитопроводы замыкают через себя магнитные силовые линии снаружи индуктора, концентрируя магнитные силовые линии внутри тигля, увеличивая интенсивность воздействия энергии индуктора на расплавляемый материал.The implementation of the melting unit using electromagnetic force generated by alternating current in the inductor, allows you to minimize the contact of the melt with the walls of the “cold” crucible, thus achieving high purity of the resulting material. The presence of gaps between the individual sections of the melting crucible excludes the induction of ring currents in the crucible, which are opposite to the inductor current and shield the crucible charge. When melting metal in a crucible, there is a short circuit between the sections through the metal. To prevent such currents, a special composite multilayer coating is applied to the inner surface of each crucible section for electrical insulation and high heat resistance of the inner walls of the crucible. Magnetic cores close the magnetic field lines through the outside of the inductor through themselves, concentrating the magnetic field lines inside the crucible, increasing the intensity of the effect of the energy of the inductor on the molten material.

Размещение напорного и сливного коллекторов конструкции охлаждения секций холодного тигля в нижней части плавильного блока, разделяя подачу и слив воды, позволяет более эффективно охлаждать тигель, снижая тем самым температуру его стенок.Placing the pressure and drain manifolds of the cooling structure of the cold crucible sections in the lower part of the melting unit, separating the supply and discharge of water, allows more efficient cooling of the crucible, thereby reducing the temperature of its walls.

Полезная модель поясняется чертежами, гдеThe utility model is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 - плавильный блок с секционным холодным тиглем,in FIG. 1 - melting unit with a sectional cold crucible,

на фиг. 2а, б - схема расположения концентраторов магнитного поля вокруг индуктора.in FIG. 2a, b - layout of magnetic field concentrators around the inductor.

Плавильный блок содержит секционный холодный плавильный тигель 1, состоящий из двадцати четырех медных водоохлаждаемых секций и водоохлаждаемого днища 2 с заглушкой 3, которая служит для облегчения работ по извлечению из тигля «отработанного» гарнисажа. Привалочные поверхности днища тигля и медных секций имеют керамическое покрытие, например, из оксида алюминия Al₂O₃. Вокруг тигля 1 расположен индуктор 4, выполненный из медной трубы с наружным диаметром 50 мм, два витка которого расположены ниже плоскости дна тигля. По периметру индуктора 4 расположено семь внешних концентраторов магнитного поля - магнитопроводов 5, состоящих из набора пластин листовой электротехнической стали толщиной 0,35 мм. Концентраторы расположены друг от друга через равные промежутки L (длина дуги, соответствующая центральному углу в 45°), длина одного из промежутков составляет 2L (длина дуги, соответствующая центральному углу в 90°). Фиксация всех секций тигля 1 реализована за счет их крепления к днищу 2 в нижней части тигля и установки стеклотекстолитового фиксирующего кольца 6 в верхней части тигля. Охлаждение тигля 1 осуществляется за счет интенсивного перетекания жидкости из напорного коллектора 7 в сливной коллектор 8 через каждый из контуров водоохлаждения. Плавильный блок оборудован механизмом поворота тигля для его наклона при заливке жидкого металла 9 в керамические формы.The melting unit contains a sectional cold melting crucible 1, consisting of twenty-four copper water-cooled sections and a water-cooled bottom 2 with a plug 3, which serves to facilitate the removal of the "spent" skull from the crucible. The bonding surfaces of the bottom of the crucible and copper sections have a ceramic coating, for example, of aluminum oxide Al ₂ O ₃ . Around crucible 1 is an inductor 4 made of a copper pipe with an outer diameter of 50 mm, two turns of which are located below the plane of the bottom of the crucible. Along the perimeter of inductor 4 there are seven external magnetic field concentrators — magnetic cores 5, consisting of a set of 0.35 mm thick plates of electrical steel sheet. The hubs are spaced apart at equal intervals L (arc length corresponding to a central angle of 45 °), the length of one of the gaps is 2L (arc length corresponding to a central angle of 90 °). The fixation of all sections of the crucible 1 is realized due to their fastening to the bottom 2 in the lower part of the crucible and the installation of a fiberglass fixing ring 6 in the upper part of the crucible. The cooling of the crucible 1 is carried out due to the intensive flow of fluid from the pressure header 7 to the drain manifold 8 through each of the water cooling loops. The melting unit is equipped with a crucible rotation mechanism for tilting it when pouring liquid metal 9 into ceramic molds.

Плавильный блок работает следующим образом.The melting unit operates as follows.

Индукционная плавка в холодном тигле используется для получения сплавов с возможностью реверсивного обратимого формоизменения (памятью формы), а именно прецизионных сплавов на титано-никелевой основе, например, никелида титана.Induction melting in a cold crucible is used to produce alloys with the possibility of reversible reversible shaping (shape memory), namely, precision alloys based on a titanium-nickel base, for example, titanium nickelide.

Первоначально рассчитывают и подготавливают шихтовый материал. Определяют оптимальную схему укладки шихты в холодный тигель, порядок введения легирующих добавок из загрузочного устройства в процессе плавки. Для каждого вида сплава определяют оптимальные режимы плавки: мощность, частоту, степень вакуумирования и время работы печи на определенной мощности на каждом этапе плавки.Initially, the charge material is calculated and prepared. Determine the optimal scheme for laying the mixture in a cold crucible, the procedure for introducing alloying additives from the loading device during the melting process. For each type of alloy, the optimal melting modes are determined: power, frequency, degree of evacuation and the furnace operating time at a certain power at each melting stage.

В холодный тигель загружают вручную требуемый развес расплавляемого металла. Включают силовые цепи, вводные автоматы, подачу охлаждающей воды, осуществляют вакуумирование плавильной камеры, где располагается плавильный блок, до давления 1×10^-3…5×10^-4 мм рт. ст. Затем включают индуктор и производят расплавление металла, замер температуры расплава, добавку при необходимости легирующих элементов в тигель. После окончания плавки осуществляют заливку жидкого металла из холодного тигля в керамические формы.The required weight of the molten metal is manually loaded into the cold crucible. The power circuits, introductory machines, cooling water supply are switched on, the melting chamber, where the melting unit is located, is evacuated to a pressure of 1 × 10 ^-3 ... 5 × 10 ^-4 mm Hg. Art. Then the inductor is turned on and the metal is melted, the temperature of the melt is measured, and, if necessary, alloying elements are added to the crucible. After melting, pour liquid metal from a cold crucible into ceramic molds.

В настоящее время плавильный блок находится на стадии внедрения. Опытный образец блока показал надежность его работы с повышением качества получаемых отливок.Currently, the melting unit is at the implementation stage. A prototype block showed the reliability of its work with improving the quality of the obtained castings.

Claims

A melting unit for melting active refractory metals and alloys, comprising a cold melting crucible made of metal cooled sections isolated from each other and a cooled bottom, with an insulating coating deposited on the inner surface of the crucible formed by them, a cooled inductor made in the form of turns parallel to each other around the crucible copper tubes, and magnetic field concentrators, made in the form of a magnetic circuit from plates of sheet electrical steel, fixed outside the inductor torus, and pressure and drain collectors for cooling the crucible, located in its lower part, characterized in that the two turns of the inductor are located below the plane of the bottom of the crucible, and the magnetic field concentrators are located around the perimeter of the inductor with the formation of gaps between them, one of which is 2L, where L is the arc length corresponding to a central angle of 90 ^° .