RU2468323C1

RU2468323C1 - Induction vacuum furnace

Info

Publication number: RU2468323C1
Application number: RU2011145675/02A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Котов; Валентин Степанович Казаков; Георгий Георгиевич Кривенко; Игорь Витальевич Новопашин; Алексей Николаевич Богаткин; Глеб Борисович Шишкин
Original assignee: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Объединение "Техномаш"
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2012-11-27

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: induction vacuum furnace comprises a vacuum chamber with an inductor, covering a vacuum chamber, a crucible for a charge, installed coaxially to the vacuum chamber, and a system of chamber vacuumising made of diffusion and vacuum booster pumps joined with flexible hoses. It is equipped with a vertically aligned frame, on the upper part of which there is a vacuum chamber installed with an inductor, a platform installed on the frame as capable of vertical reciprocal displacement by means of a drive, a shell with sealing elements, a setting ring, at the same time on the platform coaxially to the vacuum chamber there are the following components tightly installed as joined with each other by means of a vacuum gate - a diffusion pump with an inlet nozzle and a shell, on the upper part of which there is a setting ring and a crucible fixed, besides, the shell is arranged as capable of forming a sealed connection with a vacuum chamber by means of a ring with sealing elements, and the crucible - with the possibility of placement in the middle part of the inductor by means of the setting ring.

EFFECT: invention makes it possible to increase efficiency of ingot melting process and their quality due to installation of a diffusion pump coaxially with a vacuum chamber body, which provides for quick achievement of the specified vacuum and degassing of a melt.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкциям индукционных вакуумных печей для плавки металлов и сплавов.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to designs of induction vacuum furnaces for melting metals and alloys.

Известна вакуумная индукционная печь, представляющая собой герметичную камеру, образованную корпусом, верхней и нижней крышками. Внутри корпуса установлен индуктор, охватывающий металлический секционированный тигель. На нижней крышке смонтированы с возможностью жесткого присоединения к холодному тиглю наружная и внутренняя секции охлаждаемого поддона. Внутренняя секция имеет возможность вертикального перемещения посредством привода. Охлаждаемые секции образуют в начальный момент плавки поддон, предназначенный для удержания расплава на опоре. На верхней крышке установлены технологические устройства для ведения и контроля плавки.Known vacuum induction furnace, which is a sealed chamber formed by a housing, upper and lower covers. An inductor is installed inside the case, covering a metal sectioned crucible. The outer and inner sections of the cooled tray are mounted on the bottom cover with the possibility of rigid attachment to the cold crucible. The inner section has the ability to move vertically through the drive. The cooled sections form at the initial moment of melting a pan designed to hold the melt on the support. Technological devices for guiding and controlling the heat are installed on the top cover.

В процессе работы печи перед началом плавки при снятой верхней крышке в тигель укладывают предназначенную для плавки шихту, крышку устанавливают и крепят на корпусе, герметизируют камеру, подают требуемую защитную среду и включают на нагрев индуктор для получения расплава. Полученный расплав рафинируют и с помощью привода опускают при включенном индукторе внутреннюю секцию с требуемой по условиям кристаллизации слитка скоростью вниз. При этом полость формообразования слитка образуется внутренней поверхностью секции и верхним торцом секции, где и проводят процесс кристаллизации слитка. После перехода расплава в формообразователь слиток окончательно охлаждают, верхнюю крышку снимают, а полученный слиток подают в верхнее крайнее положение и извлекают его. При необходимости перехода на выплавку слитка другого профиля нижняя крышка заменяется на сменную с требуемыми наружными и внутренними секциями поддона (см. патент РФ №2031343, кл. F27D 11/06, 1995 г.).In the process of operation of the furnace, before starting the melting with the upper cover removed, the mixture intended for melting is placed in the crucible, the cover is installed and fixed on the body, the chamber is sealed, the required protective medium is supplied and the inductor is turned on to heat to melt. The resulting melt is refined and, with the help of the drive, the inner section is lowered with the inductor switched on with the downward speed required by the crystallization conditions of the ingot. In this case, the ingot forming cavity is formed by the inner surface of the section and the upper end of the section, where the crystallization of the ingot is carried out. After the melt passes into the former, the ingot is finally cooled, the upper cover is removed, and the obtained ingot is fed to the upper extreme position and removed. If it is necessary to switch to smelting an ingot of a different profile, the lower cover is replaced by a removable one with the required external and internal sections of the pallet (see RF patent No. 2031343, class F27D 11/06, 1995).

В результате анализа выполнения данной печи необходимо отметить, что для нее характерны относительно большие габариты и металлоемкость изготовления электропечи, а также тяжелые условия работы индуктора, находящегося в вакуумной камере, что снижает производительность работы печи и требует надежной вакуумной изоляции индуктора и защиты этой изоляции от агрессивной атмосферы.As a result of the analysis of the implementation of this furnace, it should be noted that it is characterized by relatively large dimensions and metal consumption for the manufacture of the electric furnace, as well as the difficult operating conditions of the inductor located in a vacuum chamber, which reduces the productivity of the furnace and requires reliable vacuum insulation of the inductor and protection of this insulation from aggressive atmosphere.

Известна индукционная вакуумная электропечь, состоящая из тигля, охватывающего тигель индуктора, верхней крышки, установленной на верхнем торце индуктора, и поддона в нижней части тигля.Known induction vacuum electric furnace, consisting of a crucible, covering the crucible of the inductor, the upper cover mounted on the upper end of the inductor, and the pan in the lower part of the crucible.

Тигель состоит из охлаждаемых секций (преимущественно медных), электрически изолированных друг от друга прокладками и герметично заделанных неэлектропроводный цилиндр, выполненный, например, из стеклопластиковой композиции.The crucible consists of cooled sections (mainly copper), electrically isolated from each other by gaskets and hermetically sealed non-conductive cylinder, made, for example, of a fiberglass composition.

Наружная стенка цилиндра обработана под кольцевое вакуумное уплотнение. В нижней части тигля герметично установлен металлический охлаждаемый поддон, предназначенный для удержания расплава.The outer wall of the cylinder is processed under an annular vacuum seal. In the lower part of the crucible is hermetically sealed metal cooled tray designed to hold the melt.

Индуктор герметично заделан в цилиндр, на верхнем торце которого имеется фланец для герметичной установки на нем верхней крышки на прокладках. В нижней части индуктора во внутренней его стенке установлено кольцевое вакуумное уплотнение, представляющее собой, например, манжетное или сальниковое устройство.The inductor is hermetically sealed in a cylinder, on the upper end of which there is a flange for hermetically installing the top cover on the gaskets on it. An annular vacuum seal is installed in the lower part of the inductor in its inner wall, which is, for example, a lip seal or stuffing box.

Верхняя крышка представляет собой герметичную камеру, на которой установлены технологические устройства для ведения плавки, такие как дозатор, термопары, патрубки для откачки и пр.The top cover is a sealed chamber on which technological devices for conducting melting are installed, such as a batcher, thermocouples, nozzles for pumping, etc.

Для осуществления плавки в тигель загружают шихтовые материалы, затем тигель подают под индуктор посредством механизма вертикального перемещения.To carry out melting, charge materials are loaded into the crucible, then the crucible is fed under the inductor by means of a vertical movement mechanism.

После проверки герметичности и правильности сборки печи тигель перемещают в верхнее крайнее положение, включают на откачку вакуумную систему для откачки вакуумной камеры и начинают плавку включением энергопитания индуктора. По мере расплавления шихты тигель перемещают по вертикали механизмом в соответствии с технологией плавки. После введения присадок, дополнительных порций шихты, полученный расплав рафинируют и, при отключенном электропитании индуктора, проводят кристаллизацию слитка. Далее печь разгерметизируют путем напуска в полость верхней крышки воздуха, а тигель механизмом выводят из рабочего пространства индуктора для завершения процесса кристаллизации и удаления тигля со слитком (см. патент РФ №1098369, F27B 14/04, 1995 г. - наиболее близкий аналог).After checking the tightness and correct assembly of the furnace, the crucible is moved to the upper extreme position, the vacuum system for pumping out the vacuum chamber is turned on, and melting is started by switching on the power supply of the inductor. As the charge is melted, the crucible is moved vertically by a mechanism in accordance with the melting technology. After the introduction of additives, additional portions of the charge, the obtained melt is refined and, with the power supply of the inductor turned off, crystallization of the ingot is carried out. Next, the furnace is depressurized by letting the upper air cover into the cavity, and the crucible is removed from the inductor’s working space by the mechanism to complete the crystallization process and remove the crucible with the ingot (see RF patent No. 1098369, F27B 14/04, 1995 - the closest analogue).

В результате анализа конструкции известной печи необходимо отметить, что она недостаточно производительна, что обусловлено длительностью откачки воздушной среды из печи для достижения заданного вакуума в камере, и не позволяет получить отливки высокого качества в связи с недостаточно надежной герметизацией вакуумной камеры.As a result of the analysis of the design of the known furnace, it should be noted that it is not productive enough, due to the duration of pumping the air from the furnace to achieve a given vacuum in the chamber, and does not allow to obtain high-quality castings due to insufficiently reliable sealing of the vacuum chamber.

Техническим результатом настоящего изобретения повышение производительности печи и качества выплавляемого металла.The technical result of the present invention is to increase the productivity of the furnace and the quality of the smelted metal.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что индукционная вакуумная печь для плавки металлов и сплавов, содержащая вакуумную камеру с индуктором, охватывающим вакуумную камеру, тигель для шихты, установленный соосно вакуумной камере, и систему вакуумирования камеры, состоящую из диффузионного и форвакуумного насосов, связанных гибкими шлангами, оснащена вертикально ориентированной рамой, на верхней части которой установлена вакуумная камера с индуктором, платформой, установленной на раме с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения посредством привода, обечайкой с уплотнительными элементами, установочным кольцом, при этом на платформе соосно вакуумной камере установлены герметично состыкованные друг с другом посредством вакуумного затвора диффузионный насос с впускным патрубком и обечайка, на верхней части которой закреплены установочное кольцо и тигель, причем обечайка выполнена с возможностью образования герметичного соединения с вакуумной камерой посредством кольца с уплотнительными элементами, а тигель - с возможностью размещения в средней части индуктора посредством установочного кольца, а корпус вакуумной камеры выполнен из плавленого кварца.The specified technical result is ensured by the fact that the induction vacuum furnace for melting metals and alloys, comprising a vacuum chamber with an inductor covering the vacuum chamber, a charge crucible mounted coaxially to the vacuum chamber, and a chamber vacuum system consisting of diffusion and forevacuum pumps connected by flexible hoses is equipped with a vertically oriented frame, on the upper part of which a vacuum chamber with an inductor is installed, a platform mounted on the frame with the possibility of vertical return a reciprocating movement by means of a drive, a shell with sealing elements, a mounting ring, while a diffusion pump with an inlet pipe and a shell are installed tightly connected to each other by a vacuum shutter on the platform coaxially to the vacuum chamber, on the upper part of which a mounting ring and a crucible are fixed, the shell is made with the possibility of forming a tight connection with a vacuum chamber through a ring with sealing elements, and the crucible with the possibility azmescheniya in the middle part of the inductor through the mounting ring and the housing of the vacuum chamber is made of fused quartz.

В конструкции печи диффузионный насос установлен соосно с корпусом вакуумной камеры, что позволяет использовать диффузионный насос с диаметром впускного фланца, сопоставимым с диаметром вакуумной камеры. Это обеспечивает быстрое достижение заданного вакуума и дегазацию расплава, что соответственно позволяет повысить производительность процесса выплавки и качество металла.In the design of the furnace, the diffusion pump is mounted coaxially with the body of the vacuum chamber, which allows the use of a diffusion pump with an inlet flange diameter comparable to the diameter of the vacuum chamber. This ensures the rapid achievement of a given vacuum and degassing of the melt, which accordingly allows to increase the productivity of the smelting process and the quality of the metal.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:The invention is illustrated by graphic materials, which depict:

- на фиг.1 - индукционная вакуумная печь (тигель в нижнем положении);- figure 1 - induction vacuum furnace (crucible in the lower position);

- на фиг.2 - индукционная вакуумная печь (тигель в верхнем положении).- figure 2 - induction vacuum furnace (crucible in the upper position).

Индукционная вакуумная печь содержит вертикально ориентированную раму 1, на верхней части которой смонтирован корпус 2 вакуумной камеры, охватываемый индуктором 3. Корпус вакуумной камеры установлен на кольце 4, закрепленном на раме 1, а сверху закрыт крышкой 5. Кольцо 4 и крышка 5 скомпонованы с корпусом посредством стяжек 6. Снизу кольца 4 имеются уплотнительные элементы (не показаны).The induction vacuum furnace contains a vertically oriented frame 1, on the upper part of which is mounted a housing 2 of the vacuum chamber covered by the inductor 3. The housing of the vacuum chamber is mounted on a ring 4 mounted on the frame 1, and is closed by a cover 5. The ring 4 and the cover 5 are arranged with the housing by means of couplers 6. At the bottom of ring 4 there are sealing elements (not shown).

На раме 1 имеются вертикальные направляющие (не показаны), на которых с возможностью возвратно-поступательного перемещения посредством привода установлена платформа 7. Привод 8 перемещения платформы может быть выполнен различным известным образом, например гидравлическим или пневматическим.On the frame 1 there are vertical guides (not shown) on which a platform 7 is mounted with the possibility of reciprocating movement through the drive. The platform 8 drive 8 can be made in various known ways, for example, hydraulic or pneumatic.

На платформе 7 соосно вакуумной камере и друг другу установлены тигель 9, установочное кольцо 10, герметично состыкованные друг с другом обечайка 11, имеющая уплотнительные элементы (не показаны), вакуумный затвор 12, диффузионный насос 13, который связан гибкими шлангами с форвакуумным насосом 14. Насосы 13 и 14 входят в систему вакуумирования камеры.A crucible 9, an adjusting ring 10, a shell 11 having sealing elements (not shown), a vacuum shutter 12, a diffusion pump 13, which is connected by flexible hoses to the fore-vacuum pump 14, are installed on the platform 7 coaxially with the vacuum chamber and to each other. Pumps 13 and 14 are included in the chamber evacuation system.

Корпус 2 выполнен из неэлектропроводного материала, в частности из плавленого кварца. Установочное кольцо 10 предназначено для размещения тигля 9 в средней части индуктора 3.The housing 2 is made of non-conductive material, in particular fused silica. The installation ring 10 is designed to accommodate the crucible 9 in the middle part of the inductor 3.

Конструкция агрегатов печи является известной, она не составляет предмета патентной охраны и поэтому в настоящей заявке не раскрыта.The design of the furnace assemblies is known, it does not constitute the subject of patent protection and therefore is not disclosed in this application.

Индукционная вакуумная печь работает следующим образом.Induction vacuum furnace operates as follows.

В исходном (нижнем) положении тигель 9 загружают шихтовым материалом, затем включают привод 8, перемещающий платформу 7 вверх до тех пор, пока тигель 9 не окажется в корпусе 2 вакуумной камеры. В данном положении тигля уплотнительные элементы кольца 4 и обечайки 11 контактируют друг с другом, образуя герметичное соединение. Включают насосы 13 и 14 и производят вакуумирование полости камеры. Закрывают вакуумный затвор 12. Включают питание индуктора 3, начиная процесс плавки шихтового материала. При ведении процесса плавки периодически контролируют давление в вакуумной камере и, в случае наличия в ней газообразных компонентов, открывают вакуумный затвор 12 и производят их откачку из камеры, после чего затвор закрывают.In the initial (lower) position, the crucible 9 is loaded with charge material, then the drive 8 is turned on, which moves the platform 7 up until the crucible 9 is in the housing 2 of the vacuum chamber. In this position of the crucible, the sealing elements of the ring 4 and the shell 11 are in contact with each other, forming a tight connection. The pumps 13 and 14 are turned on and the chamber cavity is evacuated. Close the vacuum shutter 12. Turn on the power of the inductor 3, starting the process of melting the charge material. When conducting the melting process, the pressure in the vacuum chamber is periodically monitored and, if there are gaseous components in it, open the vacuum shutter 12 and pump them out of the chamber, after which the shutter is closed.

После получения расплава известным образом уравнивают давление в вакуумной камере с атмосферным. Включают привод 8 в обратном направлении и опускают тигель 9 с расплавом в нижнее положение. Извлекают тигель и, например посредством манипулятора, разливают расплав по изложницам.After receiving the melt in a known manner equalize the pressure in the vacuum chamber with atmospheric. Turn on the actuator 8 in the opposite direction and lower the crucible 9 with the melt to the lower position. The crucible is removed and, for example, by means of a manipulator, the melt is poured into the molds.

Возможен разлив расплава через верх с использованием сифона посредством нагнетания инертного газа в вакуумную камеру и создания избыточного давления в ней.It is possible to spill the melt through the top using a siphon by forcing an inert gas into the vacuum chamber and creating excessive pressure in it.

Экономический эффект от использования заявленного изобретения может быть посчитан из затрат по времени на откачку воздуха из печи. Технические характеристики диффузионного насоса ограничены диаметром трубопровода и его протяженностью, так, диаметр труб 80-100 мм, а диаметр впускного фланца насоса 280-300 мм. Сопоставление их площадей

раза, так, для достижения содержания водорода в алюминиевом сплаве с 7% церия, равного 1,2 см³ на 100 г расплава, при откачке через трубопровод необходимо 30 минут, а через диффузионный насос, совмещенный с вакуумной камерой, - 4 минуты.The economic effect of the use of the claimed invention can be calculated from the time costs for pumping air from the furnace. The technical characteristics of the diffusion pump are limited by the diameter of the pipeline and its length, for example, the diameter of the pipes is 80-100 mm, and the diameter of the inlet flange of the pump is 280-300 mm. Comparison of their areas

times, for example, to achieve a hydrogen content in an aluminum alloy with 7% cerium equal to 1.2 cm ³ per 100 g of melt, it takes 30 minutes to pump through a pipeline, and 4 minutes through a diffusion pump combined with a vacuum chamber.

Claims

1. An induction vacuum furnace for melting metals and alloys, containing a vacuum chamber with an inductor covering the vacuum chamber, a charge crucible mounted coaxially to the vacuum chamber, and a chamber vacuum system consisting of diffusion and forevacuum pumps connected by flexible hoses, characterized in that it is equipped with a vertically oriented frame, on the upper part of which a vacuum chamber with an inductor is installed, a platform mounted on the frame with the possibility of vertical reciprocating by means of a drive, a casing with sealing elements, an installation ring, while on the platform, a diffusion pump with an inlet pipe and a casing are installed hermetically connected to each other by means of a vacuum shutter, the installation ring and the crucible are fixed on the upper part, and the casing is made with the possibility of forming a tight connection with the vacuum chamber through a ring with sealing elements, and the crucible with the possibility of placement in the middle part of the ind one by means of an adjusting ring.

2. The induction vacuum furnace according to claim 1, characterized in that the housing of the vacuum chamber is made of fused silica.