Плавильно-заливочная установка для получения слитков из композиционных материалов
Полезная модель относится к области металлургии, а именно к комплексному оборудованию для плавки шихты, получения композиционных сплавов и слитков с заданными параметрами микроструктуры. Предлагаемая плавильно-заливочная установка для получения слитков из композиционных материалов состоит из турбоиндукционной тигельной печи 1, тигля 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; средства для подачи защитного газа, выполненные, например, в виде форсунок 10. Плавильно-заливочная установка также содержит кристаллизатор 11, состоящий из тепловой насадки 12, механизма 13 вытяжки слитка и магнитогидродинамического перемешивателя 14 с индуктором 15. Над кристаллизатором 11 через тепловую надставку 16 устанавливается металлоприемник 17 с индуктором 18, устройством 19 управляемого донного слива 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. Техническим результатом полезной модели является увеличение производительности, снижение приведенных затрат и повышение качества при изготовлении слитков из композиционных сплавов.
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.
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).
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.
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).
Недостатком данного устройства является необходимость непрерывной подачи расплава в зону кристаллизации и контроля уровня расплава при обеспечении должной производительности установки.
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).
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.
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.
Также недостатком прототипа является низкая производительность, связанная с необходимостью приостанавливать разливку при малом содержании расплава в печи.
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.
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.
Кроме того, преимущественно, металлоприемник снабжен индуктором, установленным с возможностью охвата боковых стенок.
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.
Предлагаемая плавильно-заливочная установка для получения слитков из композиционных материалов, схема конструкции которой приведена на фиг.1, состоит из турбоиндукционной тигельной печи 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.
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.
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.
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.
Плавильно-заливочная установка работает следующим образом.
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.
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.
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.
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.
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.
Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для получения слитков из композиционных материалов;
- 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;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствуют условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
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.
