RU2211419C1

RU2211419C1 - Melting and pouring unit for production of small- sized castings

Info

Publication number: RU2211419C1
Application number: RU2002108996/02A
Authority: RU
Inventors: В.П. Кошкин; В.И. Ломаев; Ю.Г. Ковалев; Г.И. Рогожников
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие Пермский завод "Машиностроитель"
Priority date: 2002-04-08
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2003-08-27

Abstract

FIELD: casting process; production of small-sized castings from high-active metals and alloys; dental prosthesis and jewelry. SUBSTANCE: housing of melting and pouring unit is provided with melting and pouring chamber with melting crucible and working table for centrifugal pouring of molds. Melting of metal is effected by means of nonconsumable electrodes secured on electrode holder smoothly over circumference. Distance between electrodes is adequate for smooth distribution of thermal energy and smooth melting of blank. Secured on electrode holder is cover-roof made from material possessing property of light and thermal radiation. Flux of heat formed in the course of melting metal is reflected from cover-roof, thus increasing thermal effect. Cover moves together with electrodes, thus ensuring ease in operation. EFFECT: reduction of time for technological process; increased temperature of molten metal. 2 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к литейному производству и предназначено для получения малогабаритных отливок из высокоактивных (высокая реакционная способность с кислородом) различных металлов и сплавов типа титана, сплава титана, ниобия, тантала, никеля, хрома кобальта и может быть использовано преимущественно для производства зубных протезов, а также ювелирных изделий и малогабаритных изделий в машиностроительной области. The invention relates to foundry and is intended to produce small-sized castings from highly active (high reactivity with oxygen) various metals and alloys such as titanium, titanium alloy, niobium, tantalum, nickel, cobalt chromium and can be used mainly for the production of dentures, and jewelry and small items in the engineering field.

Известна установка для литья стоматологических протезов, содержащая герметично закрываемую плавильно-заливочную камеру, в верхней части которой расположен электрод, тигель из проводящего электричество материала, расположенный под электродом, а в нижней части литейную форму и устройство для мгновенной подачи дополнительного количества инертного газа для создания избыточного давления газа на поступающий в форму металл (Патент Франции 2662071, МКИ А 61 С 13/20). A known installation for casting dental prostheses containing a hermetically sealed melting and casting chamber, in the upper part of which there is an electrode, a crucible of conductive material located under the electrode, and in the lower part a mold and a device for instantly supplying an additional amount of inert gas to create excess gas pressure on the metal entering the form (French Patent 2662071, MKI A 61 C 13/20).

Установка имеет следующие недостатки:
- неравномерность расплавления металла, обусловленная наличием одного неплавящегося электрода. Во время плавки (за счет расположения электрода по центру) максимальная температура плавления металла достигается преимущественно в центре заготовки и расплавление последней происходит постепенно от центра к периферии;
- неэффективное использования тепла, выделяемого дугой (большая часть энергии рассеивается в окружающую среду за счет теплового излучения), так как процесс плавки осуществляют в открытом тигле;
- тигель выполнен однослойным, имеется вероятность взаимодействия жидкого металла с материалом тигля.The installation has the following disadvantages:
- uneven melting of the metal, due to the presence of one non-consumable electrode. During melting (due to the location of the electrode in the center), the maximum melting temperature of the metal is achieved mainly in the center of the workpiece and the melting of the latter occurs gradually from the center to the periphery;
- inefficient use of heat generated by the arc (most of the energy is dissipated into the environment due to thermal radiation), since the melting process is carried out in an open crucible;
- the crucible is made single-layer, there is a probability of interaction of the liquid metal with the material of the crucible.

Все выше перечисленные недостатки отрицательно сказываются на длительности технологического цикла и качестве отливок. All of the above disadvantages adversely affect the duration of the technological cycle and the quality of castings.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является плавильно-заливочная установка для получения титановых отливок малых габаритов и масс. (Свидетельство на полезную модель 6731, МКИ 6 В 22 D 13/04). The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a melting and casting plant for producing titanium castings of small dimensions and masses. (Certificate for Utility Model 6731, MKI 6 V 22 D 13/04).

Эта установка содержит плавильно-заливочную камеру, опирающуюся на станину, тигель для расплавления металла, электрододержатель с устройством его возвратно-поступательного перемещения, центробежный стол. Электрододержатель выполнен с возможностью закрепления на нем одновременно от 3 до 5 расходуемых титановых электродов. Тигель выполнен из двух слоев - опорного медного и гарнисажного (защитного) слоев, который имеет химический состав, аналогичный расплавляемому металлу (сплаву). Тигель снабжен керамическим кожухом с крышкой-сводом, который предохраняет элементы конструкции при плавке от нагрева за счет излучения от зеркала расплава. В крышке выполнены отверстия для заведения электродов внутрь тигля. This installation contains a melting and casting chamber resting on a bed, a crucible for melting metal, an electrode holder with a device for its reciprocating movement, a centrifugal table. The electrode holder is made with the possibility of fixing on it simultaneously from 3 to 5 expendable titanium electrodes. The crucible is made of two layers - a supporting copper and skull (protective) layers, which has a chemical composition similar to a molten metal (alloy). The crucible is equipped with a ceramic casing with a cover-arch, which protects the structural elements during melting from heating due to radiation from the melt mirror. The cover has holes for inserting electrodes into the crucible.

Данная установка имеет следующие недостатки:
а) в качестве электродов используются расходуемые (расплавляемые) электроды в количестве от 3 до 5 штук. Применение таких электродов не позволяет надежно получать требуемую степень перегрева металла - процесс идет неустойчиво, что снижает эффективность и равномерность расплавления металла;
б) при полном расплавлении электродов нет возможности (при необходимости) поддерживать дугу, что существенно затрудняет процесс, снижает эффективность и равномерность расплавления;
в) конструкцией установки предусмотрено заведение электродов внутрь тигля через отверстия в крышке-своде. Такое конструктивное решение создает неудобство при эксплуатации установки и, кроме того, может приводить к поломке электродов или крышки при их введении в тигель, а также во время плавки.This installation has the following disadvantages:
a) consumable (molten) electrodes in an amount of 3 to 5 pieces are used as electrodes. The use of such electrodes does not allow to reliably obtain the required degree of metal overheating - the process is unstable, which reduces the efficiency and uniformity of metal melting;
b) when the electrodes are completely melted, it is not possible (if necessary) to maintain the arc, which significantly complicates the process, reduces the efficiency and uniformity of melting;
c) the design of the installation provides for the introduction of electrodes into the crucible through holes in the lid-vault. Such a constructive solution creates inconvenience during operation of the installation and, in addition, can lead to breakage of the electrodes or cover when they are introduced into the crucible, as well as during melting.

После завершения процесса плавления осуществляют вывод электродов из тигля через отверстия в крышке-своде, причем для ее снятия (перед сливом расплава) необходимо специальное приспособление, что создает неудобство в эксплуатации и требует затрат времени на выполнение этих операций. After completion of the melting process, the electrodes are removed from the crucible through the holes in the lid-vault, and for its removal (before draining the melt) a special device is necessary, which creates inconvenience in operation and requires time to perform these operations.

Перечисленные выше недостатки создают неудобства при эксплуатации установки, увеличивают длительность технологического цикла, снижают качество отливок. The disadvantages listed above create inconvenience during operation of the installation, increase the duration of the technological cycle, and reduce the quality of castings.

Задачей заявляемого технического решения в качестве изобретения является сокращение длительности технологического цикла, повышение удобства в эксплуатации и повышение качества отливок. The objective of the proposed technical solution as an invention is to reduce the duration of the technological cycle, increasing ease of use and improving the quality of castings.

При решении поставленной задачи достигается следующий технический результат - сокращение технологического цикла, повышение температуры расплавления металла, повышение эффективности и однородности расплавления металла за счет равномерного распределения тепловой энергии. When solving this problem, the following technical result is achieved - shortening the technological cycle, increasing the temperature of the molten metal, increasing the efficiency and uniformity of molten metal due to the uniform distribution of thermal energy.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что в известной плавильно-заливочной установке для получения титановых отливок малых габаритов и масс, содержащей опирающуюся на станину плавильно- заливочную камеру, в верхней части которой закреплен электрододержатель с электродами и устройством его возвратно-поступательного перемещения, тигель, имеющий гарнисажный слой, выполненный из металла с химическим составом расплавляемого металла, и медный опорный слой, крышку-свод, рабочий стол, особенность состоит в том, что в электрододержателе закреплены неплавящиеся электроды равномерно по окружности на расстоянии друг от друга, достаточном для равномерного распределения тепловой энергии, причем крышка - свод закреплена на штоке электрододержателя и выполнена из молибдена. The specified technical result in the implementation of the invention is achieved due to the fact that in the known melting and casting installation for producing titanium castings of small dimensions and masses containing a melting and casting chamber resting on the bed, in the upper part of which an electrode holder with electrodes and its reciprocating device is fixed movement, a crucible having a skull layer made of metal with the chemical composition of the molten metal, and a copper support layer, a cover-arch, a working table, especially The fact is that non-consumable electrodes are fixed in the electrode holder uniformly around the circumference at a distance from each other sufficient to evenly distribute thermal energy, and the lid-arch is fixed to the electrode holder rod and is made of molybdenum.

Закрепление в электрододержателе неплавящихся электродов равномерно по окружности на расстоянии, достаточном для равномерного распределения тепловой энергии, обеспечивает в совокупности с другими существенными признаками эффективное и равномерное расплавление заготовки за счет одновременного теплового воздействия на всю поверхность расплавляемой заготовки (шихты), тем самым снижается длительность технологического процесса. Преимущество неплавящегося электрода перед расходуемым заключается в длительности его использования и в возможности достичь по сравнению с прототипом более высокого перегрева металла в тигле. Fixing non-consumable electrodes in the electrode holder uniformly around the circumference at a distance sufficient to evenly distribute heat energy provides, together with other essential features, efficient and uniform melting of the workpiece due to the simultaneous thermal effect on the entire surface of the molten workpiece (charge), thereby reducing the duration of the process . The advantage of a non-consumable electrode over a consumable one is the duration of its use and the ability to achieve a higher metal overheating in the crucible compared to the prototype.

Закрепление крышки-свода непосредственно на штоке электрододержателя позволяет повысить удобство в эксплуатации, т.к. она перемещается одновременно с электродами, кроме того выполнение крышки из материала со свойством светового и теплового отражения, например из молибдена, обеспечивает фокусирование и отражение тепла при расплавлении заготовки, а также молибденовая крышка-свод является более надежной в работе по сравнению с керамической крышкой. Fixing the cover-arch directly on the rod of the electrode holder can increase the convenience in operation, because it moves simultaneously with the electrodes, in addition, the implementation of the lid of a material with the property of light and thermal reflection, for example, of molybdenum, provides focusing and reflection of heat during melting of the workpiece, and the molybdenum lid-vault is more reliable in comparison with a ceramic lid.

Указанные признаки в своей новой совокупности и взаимосвязи обеспечивают сокращение длительности технологического цикла, равномерность распределения тепловой энергии в процессе плавления заготовки, повышение температуры расплавления металла, повышение эффективности и однородности расплавляемого металла, а значит, и качества отливок, повышение удобства в эксплуатации установки. The indicated features, in their new combination and interconnection, provide a reduction in the duration of the technological cycle, uniform distribution of thermal energy during the melting of the billet, an increase in the temperature of the molten metal, an increase in the efficiency and uniformity of the molten metal, and hence the quality of castings, and an increase in the ease of use of the installation.

При исследовании отличительных признаков заявляемого технического решения в качестве изобретения не выявлено известных аналогичных установок для литья металла, которые предусматривали бы закрепление в электрододержателе неплавящихся электродов равномерно по окружности на расстоянии друг от друга, достаточном для равномерного распределения теплового эффекта, а также наличие крышки-свода, закрепленной на штоке электрододержателя и выполненной из материала со свойством светового и теплового отражения, усиливающей тепловой эффект. In the study of the distinguishing features of the claimed technical solution, as a invention, no known similar metal casting installations were revealed that would provide for fixing non-consumable electrodes in the electrode holder uniformly around the circumference at a distance from each other sufficient to evenly distribute the thermal effect, as well as the presence of a roof cover, fixed on the rod of the electrode holder and made of material with the property of light and thermal reflection, enhancing the thermal effect.

Известна установка, близкая по достигаемому эффекту - эффективности и равномерности расплавления металла, содержащая герметично закрываемую плавильно-заливочную камеру, разделенную перемычкой на две части. В верхней части расположен электрод, тигель с отверстием из проводящего электричество материала, расположенный под электродом, а в нижней части - литейную форму и устройство для мгновенной подачи дополнительного количества инертного газа для создания избыточного давления газа на поступающий в форму металл. Горящая между электродом и расплавляемой заготовкой (шихтой) дуга под воздействием электромагнитного поля (создаваемого электромагнитами) перемещается по поверхности расплавляемою металла в тигле, что обеспечивает по сравнению с выявленными аналогами более равномерный нагрев и соответственно более быстрое расплавление шихты (Патент Германии 3643586, МКИ F 27 D 11/08; B 22 D 7/12). A known installation is close in terms of the achieved effect — the efficiency and uniformity of metal melting, containing a hermetically sealed melting and casting chamber, divided by a jumper into two parts. In the upper part there is an electrode, a crucible with a hole made of an electrically conductive material located under the electrode, and in the lower part there is a mold and a device for instantly supplying an additional amount of inert gas to create excess gas pressure on the metal entering the form. The arc burning between the electrode and the molten billet (charge) under the influence of an electromagnetic field (created by electromagnets) moves along the surface of the molten metal in the crucible, which provides more uniform heating and correspondingly faster melting of the charge compared to the identified analogues (German Patent 3643586, MKI F 27 D 11/08; B 22 D 7/12).

Однако данная установка не решает задачу равномерного и быстрого расплавления шихты, т.к. нагрев происходит последовательно горящей дугой, перемещающейся по поверхности шихты. However, this installation does not solve the problem of uniform and rapid melting of the charge, because heating occurs successively by a burning arc moving along the surface of the mixture.

Использование отличительных признаков в новой совокупности и взаимосвязи с другими существенными признаками установки позволяет получить указанный выше технический результат, не присущий известным в уровне технике аналогичным установкам, а также известным признакам порознь. The use of distinctive features in the new combination and the relationship with other essential features of the installation allows you to get the above technical result, not inherent in the prior art similar installations, as well as the known signs separately.

Таким образом, заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем, т.к. не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Thus, the claimed invention does not follow for a specialist explicitly from the prior art determined by the applicant, because the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of a technical result is not revealed.

На фиг.1 представлен общий вид плавильно-заливочной установки для получения малогабаритных отливок в разрезе; на фиг.2 представлен вид установки сбоку. Figure 1 presents a General view of the melting and casting plant for small-sized castings in the context; figure 2 presents a side view of the installation.

Плавильно-заливочная установка для получения малогабаритных отливок состоит из корпуса 1, внутри которого смонтированы плавильно-заливочная камера 2, где размещены плавильный узел 3 с плавильным тиглем 4, центробежный стол 5 (при центробежном литье) для заливки литейных форм 6, металлоприемник 7, устройство 8 подъема опускания электрододержателя 9 с неплавящимися электродами 10, газовакуумная система 11, блок управления 12, закрепленный снаружи корпуса 1. Неплавящиеся электроды 10 закреплены в электрододержателе 9 равномерно по окружности на расстоянии друг от друга, достаточном для обеспечения равномерного распределения тепловой энергии в процессе плавки. На штоке электрододержателя 9 закреплена крышка-свод 13, выполненная из материала со свойством светового и теплового отражения, а именно из молибдена. В плавильно-заливочной камере (ПЗК) 2 размещен тигледержатель 14 плавильного тигля 4, связанный с поворотным механизмом 15. Плавильный тигель 4 состоит из двух слоев - опорного медного 16 и гарнисажного 17 - из сплава того же химического состава, что и расплавляемый сплав. Тигледержатель 14 имеет сборно-разборную конструкцию, позволяющую менять тигель 4 при выходе из строя на новый. Плавильно-заливочная камера 2 связана через вакуумные разъемы 18 с источником питания (не показано), с датчиками 19 контроля вакуума в плавильно-заливочной камере 2. Количество неплавящихся электродов, используемых в установке, определяют опытным путем в зависимости от среднего внутреннего диаметра тигля, расплавляемого металла (сплава) и расстояния между электродами, достаточного для обеспечения равномерного распределения теплового эффекта при расплавлении заготовки. The melting and casting installation for producing small-sized castings consists of a housing 1, inside of which a melting and pouring chamber 2 is mounted, where the melting unit 3 with the melting crucible 4 is located, the centrifugal table 5 (for centrifugal casting) for casting molds 6, the metal receiver 7, the device 8 raising lowering of the electrode holder 9 with non-consumable electrodes 10, gas-vacuum system 11, control unit 12, mounted outside the housing 1. Non-consumable electrodes 10 are fixed in the electrode holder 9 uniformly around the circumference of distance from each other sufficient to provide uniform distribution of heat during the melting process. On the rod of the electrode holder 9, a lid-arch 13 is fixed, made of a material with the property of light and thermal reflection, namely, molybdenum. A melting crucible holder 14 of a melting crucible 4, connected with a rotary mechanism 15, is placed in the melting and pouring chamber (SLC) 2. The melting crucible 4 consists of two layers — a supporting copper 16 and a skull 17 — of an alloy of the same chemical composition as the molten alloy. The holder 14 has a collapsible design that allows you to change the crucible 4 in the event of failure to a new one. The melting and pouring chamber 2 is connected through vacuum connectors 18 to a power source (not shown), to the vacuum control sensors 19 in the melting and pouring chamber 2. The number of non-consumable electrodes used in the installation is determined empirically depending on the average internal diameter of the crucible being melted metal (alloy) and the distance between the electrodes, sufficient to ensure uniform distribution of the thermal effect during melting of the workpiece.

Плавильно-заливочная установка работает следующим образом:
На центробежном столе 5 устанавливают литейную форму 6 с металлоприемником 7. В тигель 4 устанавливают заготовку в виде цилиндра, например, из титанового сплава. Например, при среднем внутреннем диаметре тигля, равным 40 мм, количество неплавящихся электродов, необходимых для процесса плавки, составит 9 штук при межэлектродном расстоянии 1,75 диаметра электрода. Количество электродов определяют опытным путем в зависимости от среднего внутреннего диаметра тигля и расстояния между ними, достаточного для обеспечения равномерного распределения тепловой энергии при расплавлении заготовки. После установки расплавляемой заготовки в тигель 4 перемещают устройством 8 электрододержатель 9 с электродами 10 и крышкой 13 на некоторое расстояние от заготовки. Включают вакуумную систему 11. По достижении необходимого вакуума в ПЗК 2 подают аргон. Включают напряжение на электродах 10 и тигле 4, одновременно с этим включают вращение центробежного стола 5. За счет использования неплавящихся электродов в количестве 9 штук и расположения их равномерно по окружности заготовки на расстоянии 1,75 диаметра электрода процесс плавления происходит эффективно, что обусловлено воздействием равномерного усиленного теплового эффекта от дуг всех электродов 10 одновременно по всей поверхности заготовки. Кроме того, поток тепла, образуемый в процессе плавления заготовки, направляется вверх и отражается от крышки-свода 13, тем самым дополнительно усиливается тепловой эффект. За счет использования неплавящихся электродов 10 в количестве 9 штук и крышки-свода обеспечивается равномерное распределение тепловой энергии, усиливается тепловой эффект, необходимый для перегрева металла, достигается однородность расплавленного металла. Технологический цикл плавления заготовки сокращается. После расплавления заготовки посредством устройства 8 электроды 10 и крышку-свод 13 перемещают вверх. Затем поворотным механизмом 15 поворачивают тигель 4 и сливают металл в металлоприемник 7. После остывания отливок в литейной форме 6 до заданной температуры откачивают аргон, производят разгерметизацию камеры 2. Литейную форму 6 с отливками извлекают для последующих операций.Smelting installation works as follows:
On the centrifugal table 5 set the mold 6 with a metal receiver 7. In the crucible 4 set the workpiece in the form of a cylinder, for example, of a titanium alloy. For example, with an average inner diameter of the crucible equal to 40 mm, the number of non-consumable electrodes required for the melting process will be 9 pieces with an interelectrode distance of 1.75 of the electrode diameter. The number of electrodes is determined empirically, depending on the average internal diameter of the crucible and the distance between them, sufficient to ensure uniform distribution of thermal energy during melting of the workpiece. After installing the molten preform in the crucible 4, the electrode holder 9 with the electrodes 10 and the lid 13 is moved by the device 8 to a certain distance from the preform. Turn on the vacuum system 11. Upon reaching the required vacuum, argon is supplied to the PZK 2. The voltage on the electrodes 10 and crucible 4 is turned on, while the centrifugal table 5 is turned on. Due to the use of non-consumable electrodes in the amount of 9 pieces and their uniform distribution around the workpiece circumference at a distance of 1.75 electrode diameters, the melting process is effective, which is due to the uniform enhanced thermal effect from the arcs of all electrodes 10 simultaneously over the entire surface of the workpiece. In addition, the heat flux generated during the melting of the workpiece is directed upward and reflected from the cover-arch 13, thereby further enhancing the thermal effect. Due to the use of non-consumable electrodes 10 in the amount of 9 pieces and a cover-arch, a uniform distribution of thermal energy is ensured, the thermal effect necessary for overheating of the metal is enhanced, and uniformity of the molten metal is achieved. The technological cycle of melting the workpiece is reduced. After melting the workpiece by means of the device 8, the electrodes 10 and the cover-arch 13 are moved up. Then, the crucible 4 is turned by the rotary mechanism 15 and the metal is drained into the metal receiver 7. After the castings in the mold 6 have cooled to argon, the argon is pumped out and the chamber 2 is depressurized. The mold 6 with the castings is removed for subsequent operations.

Установка удобна в пользовании - крышка- свод, закрепленная на штоке электрододержателя, перемещается одновременно с электродами, тем самым исключена вспомогательная операция, связанная с закрыванием крышки тигля, заведением электродов в отверстия крышки, исключена возможность поломки крышки и электродов, отпала необходимость замены электродов. The installation is convenient to use - the cover-arch fixed on the rod of the electrode holder moves simultaneously with the electrodes, thereby eliminating the auxiliary operation associated with closing the crucible lid, inserting the electrodes into the openings of the lid, eliminating the possibility of breaking the lid and electrodes, eliminating the need to replace the electrodes.

Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом обеспечивает сокращение длительности технологического цикла, повышение температуры расплавления металла, повышение эффективности и однородности расплавляемого металла по температуре, а значит, и качества отливок, повышение удобства в эксплуатации установки. Using the proposed device in comparison with the prototype provides a reduction in the duration of the technological cycle, an increase in the temperature of the molten metal, an increase in the efficiency and uniformity of the molten metal in temperature, and hence the quality of the castings, and an increase in the ease of use of the installation.

Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов. For the claimed device in the form as described in the independent claim, the possibility of its implementation using the means and methods described in the application or known prior to the priority date is confirmed.

Claims

1. A smelting and casting installation for producing small-sized castings, containing a melting and casting chamber resting on a bed, in the upper part of which an electrode holder with electrodes and a device for its reciprocating movement is fixed, a crucible having a skull layer made of metal with the chemical composition of the molten metal , and a copper support layer, a cover-arch, a working table, characterized in that non-consumable electrodes are fixed in the electrode holder uniformly around the circumference at a distance from each other ug, sufficient for the uniform distribution of thermal energy, and the cover-arch is mounted on the rod of the electrode holder and is made of material with the property of light and thermal reflection.

2. The smelting and filling plant according to claim 1, characterized in that the lid-arch is made of molybdenum.