способ получения малогабаритных отливок из высокоактивных металлов и сплавов и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения малогабаритных отливок из химически высокоактивных металлов и сплавов, включающий установку расчетного зазора между концом электрода и заготовкой, вакуумирование плавильно-заливочной камеры, расплавление заготовки в тигле электрической дугой с помощью неплавящегося электрода, вывод электрода из тигля, опрокидывание тигля для заливки литейной формы, отличающийся тем, что электродуговую плавку осуществляют в тигле, изготовленном из материала с низкой теплопроводностью и с внутренней поверхностью, покрытой тугоплавким низкореакционным материалом, не взаимодействующим с расплавом, установку расчетного зазора между заготовкой и концом электрода осуществляют путем совместного вертикального перемещения тигля и устройства опрокидывания вверх до контакта заготовки с электродом, последующей фиксацией устройства опрокидывания тигля, установки под днищем тигля подвижной опоры на расстоянии, равном расчетному зазору между электродом и заготовкой, и перемещения тигля вниз относительно устройства опрокидывания тигля до подвижной опоры, вывод электрода из тигля осуществляют путем перемещения тигля вниз, а при заливке литейной формы тигель опрокидывают по траектории, обеспечивающей перемещение точки внутренней поверхности тигля со стороны слива, наиболее удаленной от оси тигля в плоскости опрокидывания, по вертикальной линии.

2. Установка для получения малогабаритных отливок из химически высокоактивных металлов и сплавов, содержащая узел электродуговой плавки, плавильно-заливочную вакуумную камеру, узел заливки литейных форм с центробежным столом, плавильный тигель, устройство опрокидывания тигля, отличающаяся тем, что тигель изготовлен из материала с низкой теплопроводностью с внутренней поверхностью, покрытой тугоплавким низкореакционным материалом, не взаимодействующим с расплавом, причем тигель и устройство опрокидывания выполнены с возможностью совместного и относительного возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости, при этом устройство опрокидывания представляет собой каркас, состоящий из двух параллельных, скрепленных между собой стенок, имеющих по два вертикальных паза, причем в одной паре противоположно расположенных пазов размещены с возможностью ограниченного перемещения ролики рычагов, шарнирно связанных с боковой поверхностью тигля в зоне ее перехода в днище, а в другой паре пазов размещены с возможностью ограниченного перемещения ролики, закрепленные на боковой поверхности в верхней части тигля, оси которых проходят через точку слива внутренней поверхности тигля, наиболее удаленную от его оси в плоскости опрокидывания, при этом длина хода роликов определена из условия обеспечения перемещения тигля по траектории, обеспечивающей перемещение точки слива по вертикальной линии, каркас в верхней части имеет упорные элементы для упора тигля и обеспечения совместного с тиглем перемещения вверх, подвижную в горизонтальной плоскости опору тигля, закрепленную в стенке каркаса для установки расчетного зазора между концом электрода и заготовкой, и элемент фиксации положения каркаса в вертикальной плоскости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству и предназначено для получения малогабаритных отливок из высокоактивных (высокая реакционная способность с кислородом) металлов и сплавов типа титана, сплавов титана, ниобия, тантала, никеля, хрома, кобальта и может быть использовано для производства зубных протезов, а также ювелирных изделий и малогабаритных изделий в машиностроительной отрасли.

В производстве фасонных отливок из титана и титановых сплавов наибольшее применение получил способ их получения в гарнисажных вакуумных электродуговых печах. В таких печах титановый расплав накапливается в гарнисаже из того же титанового сплава, что и расплав. Гарнисажный слой в тигле образуется в процессе плавки или наносится на внутреннюю поверхность тигля предварительно и служит в качестве электрода и защитного слоя основного материала тигля. Одним из основных требований к таким печам является отсутствие контакта жидкого металла с элементами конструкции печи, не защищенными гарнисажем. Тигли в таких печах изготавливают из различных материалов, охлаждаемые и без охлаждения. Известны плавильно-заливочные установки (ПЗУ) с использованием холодных металлических тиглей, позволяющих намораживать гарнисаж на их внутренних поверхностях. В них используется водяное, газовое (гелий) или жидкометаллическое (кремний-натриевая эвтектика) охлаждение стенок. Наличие охлаждения усложняет конструкцию ПЗУ, кроме того, водяное охлаждение приводит к повышенной взрывоопасности. Известны ПЗУ с медным тиглем без охлаждения, где тигель сам является охладителем. Известны гарнисажные плавильные печи с тиглем из графита, охлаждаемые и не охлаждаемые. Однако вследствие длительного контакта жидкого металла с графитовым тиглем происходит загрязнение металла углеродом. Практика плавки титана в графитовых гарнисажных тиглях показывает, что не удается полностью исключить повышения содержания углерода в выплавляемом материале.

Известна плавильно-заливочная вакуумная установка для плавления и получения литых заготовок из титанового сплава (патент РФ №2092758, кл. F27В 14/04). Установка содержит вакуумную систему с вакуумной камерой, гарнисажный графитовый тигель, установленный в вакуумной камере, узел электродуговой плавки расходуемого титанового электрода, узел заливки с контейнером литейных форм на центробежном столе, установленный в вакуумной камере, пульт управления работой установки, причем гарнисажный графитовый тигель снабжен электромагнитным устройством устранения прожога гарнисажного слоя и насыщения сплава примесями, а контейнер литейных форм - устройством подогрева литейных форм. При этом гарнисажный тигель выполнен неохлаждаемым. В плавильно-заливочной камере плавильный тигель установлен в поворотном механизме. На тигле смонтировано электромагнитное устройство, включающееся одновременно с образованием дуги между торцом расходуемого электрода и металлом на дне тигля. Настройка расчетного зазора между торцом электрода и расплавляемой заготовкой осуществляется вручную перед каждой плавкой перемещением электрододержателя, заливка расплава в литейную форму производится наклоном тигля с помощью поворотного механизма.

Установка имеет следующие недостатки:

- применение расходуемых титановых электродов не позволяет надежно получать заданную степень перегрева металла, так как процесс идет неустойчиво, что снижает эффективность и равномерность расплавления;

- тигель выполнен графитовым, а практика плавки титана в графитовых тиглях показывает, что не удается полностью исключить повышение содержания углерода в выплавляемом металле;

- несмотря на то что графитовый тигель имеет низкую теплопроводность по сравнению с металлическими тиглями, технология гарнисажной плавки предопределяет отвод тепла через стенки тигля, следовательно, использование тепла, выделяемого дугой, неэффективно, это приводит к увеличению энергозатрат и уменьшению КПД установки;

- конструкция установки усложняется наличием электромагнитного устройства устранения прожога гарнисажного слоя и устройством подогрева литейных форм.

Наиболее близким по достигаемому результату к заявляемому изобретению является плавильно-заливочная установка для получения малогабаритных отливок (патент РФ №2211419, кл. F27B 17/00; B22D 13/04). Установка предусматривает способ получения малогабаритных отливок из высокоактивных металлов и сплавов, включающий следующие операции:

- настройка расчетного зазора между концом электрода и заготовкой путем установки вручную электрододержателя в строго определенном положении в вертикальной плоскости;

- вакуумирование;

- расплавление заготовки электрической дугой неплавящимся электродом (плавку осуществляют в медном охлаждаемом тигле с образованием гарнисажного слоя);

- вывод электрода из тигля путем перемещения электрододержателя с помощью специального механизма подъема-опускания;

- опрокидывание тигля для заливки литейных форм, при этом тигель перемещается по дуге в вертикальной плоскости.

Установка для осуществления данного способа содержит плавильно-заливочную вакуумную камеру, в которой размещены плавильный узел с медным плавильным тиглем, имеющим гарнисажный слой из материала с химическим составом расплавляемого металла, центробежный стол для установки литейных форм, электрододержатель с неплавящимися электродами, на штоке которого закреплена крышка-свод из молибдена, узел заливки литейных форм. Неплавящиеся электроды используются длительное время, а крышка-свод имеет свойства светового и теплового отражения, что уменьшает потери энергии.

К недостаткам установки относятся:

- отвод тепла через стенки тигля, необходимый для образования гарнисажного слоя, что определяет большие энергозатраты. Крышка-свод на штоке электродержателя в данной установке обеспечивает незначительное снижение тепловых потерь;

- медный тигель является охладителем и аккумулирует в себе значительную часть тепла, выделяемого электрической дугой (теплопроводность меди весьма высока, она выше теплопроводности титана примерно в 18 раз), а при повышении температуры у меди значительно снижаются механические свойства, поэтому на границе медь-титан должна быть задана температура ниже температуры снижения прочности меди, а это приводит к увеличению массы тигля, его габаритов и габаритов установки в целом.

К общим недостаткам рассмотренных ПЗУ относятся:

- высокая энергоемкость ПЗУ, так как технология гарнисажной плавки предполагает отвод значительной части тепла, выделяемого электрической дугой через стенки тигля, а следовательно, невозможность сокращения технологического цикла за счет рационального использования энергии дуги;

- низкий КПД установок вследствие больших энергопотерь;

- необходимость замены гарнисажного слоя при смене марки выплавляемого материала;

- неполное использование объема расплавленного металла, так как при его заливке в литейную форму часть металла остается в тигле, образуя гарнисажный слой для следующей плавки;

- расплавленный металл имеет невысокую температуру перегрева над температурой его плавления, так как повышение температуры приводит к уменьшению толщины гарнисажного слоя, которую следует поддерживать оптимальной, а это ограничивает текучесть материала при заливке его в литейную форму;

- снижение герметичности установок, обусловленное наличием подвижного соединения между электрододержателем и стенкой вакуумной камеры;

- усложнение конструкции ПЗУ, обусловленное наличием механизма подъема-опускания электрододержателя;

- расплескивание расплава при заливке в литейную форму, так как тигель при опрокидывании перемещается по дуге в вертикальной плоскости, следовательно, присутствует горизонтальная составляющая инерционной силы, действующей на расплав;

- повышенные трудоемкость и длительность технологического цикла, обусловленные тем, что перед каждой плавкой необходимо устанавливать электрододержатель в строго определенном положении в вертикальной плоскости, добиваясь обеспечения расчетного зазора между электродом и заготовкой для зажигания электрической дуги, выводом из тигля электрода с использованием механизма подъема-опускания, охлаждением стенок тигля, заменой гарнисажного слоя при смене марки выплавляемого материала.

Из анализа работы рассмотренных плавильно-заливочных установок следует, что способ плавки в печах с гарнисажным тиглем является высокоэнергоемким, так как условием образования гарнисажного слоя является поддержание температуры внутренней поверхности тигля не выше температуры кристаллизации расплавляемого металла, а следовательно, отвод тепла через стенки тигля. По данным публикации журнала «ТИТАН» №3 2003 тепловые потери через стенки тигля в гарнисажных печах составляют от 75 до 92% за время технологического цикла. В результате этого КПД гарнисажных печей чрезвычайно низок. Поддержание оптимальной толщины гарнисажного слоя требует строгой увязки режимов плавки с выбором материала тигля, его теплопроводностью, системой охлаждения, а также определением формы тигля с помощью математического моделирования теплового процесса формирования металлической отливки. Тигли гарнисажных печей изготавливают массивными, а это приводит к увеличению массы и габаритов плавильно-заливочных установок. Для предотвращения прогорания гарнисажного слоя на боковых стенках тиглей приходится устанавливать дополнительные устройства, а это усложняет конструкцию. Не исключается возможность отслоения гарнисажного слоя на дне тигля, что приводит к взаимодействию расплавленного металла с материалом тигля, его загрязнению и снижению качества отливок. Необходимость охлаждения стенок тигля удлиняет технологический цикл плавки и снижает производительность установки. Неблагоприятные условия эксплуатации тигля (высокие градиенты температур в стенках) снижают срок его службы. Технология плавки в гарнисажных тиглях не позволяет достигать высокой температуры перегрева расплавляемого металла над температурой его плавления, что снижает текучесть металла и его способность оформлять тонкие стенки при заливке в формы.

Задачей заявляемого технического решения в качестве изобретения является снижение энергозатрат путем значительного уменьшения поглощения тепловой энергии стенками тигля, т.е. более эффективного использования энергии электрической дуги, повышение КПД установки, использование тигля без его замены при изменении материала расплавляемой заготовки, изменение способа вывода электрода из тигля перед опрокидыванием последнего для исключения механизма подъема-опускания электрододержателя и повышения герметичности ПЗУ, изменение способа установки расчетного зазора между электродом и заготовкой, необходимого для зажигания электрической дуги, создание оптимальной траектории движения тигля при его опрокидывании с целью устранения разбрызгивания расплавленного металла при заливке его в литейную форму.

При решении поставленной задачи достигается следующий технический результат: получение высококачественных отливок с сохранением химического состава и однородности исходного материала, обеспечение возможности повышения температуры перегрева расплавленного металла над температурой его плавления, т.е. повышение его текучести при заливке, устранение разбрызгивания расплавленного металла при заливке его в литейную форму, более полное использование для отливки объема расплавленного металла за счет исключения необходимости намораживания на внутренних стенках тигля гарнисажного слоя, создание благоприятных условий эксплуатации тигля (исключение высоких градиентов температур в стенках), сокращение длительности технологического цикла, повышение герметичности установки, упрощение конструкции и повышение производительности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе получения малогабаритных отливок из химически высокоактивных металлов и сплавов, включающем установку расчетного зазора между концом электрода и заготовкой, вакуумирование плавильно-заливочной камеры, расплавление заготовки в тигле электрической дугой с помощью неплавящегося электрода, вывод электрода из тигля, опрокидывание тигля для заливки литейной формы, электродуговую плавку осуществляют в тигле, изготовленном из материала с низкой теплопроводностью, например графита, и с внутренней поверхностью, покрытой тугоплавким низкореакционным материалом, например вольфрамом, не взаимодействующим с расплавом, установку расчетного зазора между заготовкой и концом электрода осуществляют путем совместного вертикального перемещения тигля и устройства опрокидывания вверх до контакта заготовки с электродом, последующей фиксацией устройства опрокидывания тигля, установки под днищем тигля подвижной опоры на расстоянии, равном расчетному зазору между электродом и заготовкой, и перемещения тигля вниз относительно устройства опрокидывания тигля до подвижной опоры, вывод электрода из тигля осуществляют путем перемещения тигля вниз, а при заливке литейной формы тигель опрокидывают по траектории, обеспечивающей перемещение точки внутренней поверхности тигля со стороны слива, наиболее удаленной от оси тигля в плоскости опрокидывания, по вертикальной линии.

Технический результат достигается и тем, что в известной установке для получения малогабаритных отливок из химически высокоактивных металлов и сплавов, содержащей узел электродуговой плавки, плавильно-заливочную вакуумную камеру, узел заливки литейных форм с центробежным столом, плавильный тигель, устройство опрокидывания тигля, тигель изготовлен из материала с низкой теплопроводностью, например графита, с внутренней поверхностью, покрытой тугоплавким низкореакционным материалом, например вольфрамом, не взаимодействующим с расплавом, причем тигель и устройство опрокидывания выполнены с возможностью совместного и относительного возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости, при этом устройство опрокидывания представляет собой каркас, состоящий из двух параллельных, скрепленных между собой стенок, имеющих по два вертикальных паза, причем в одной паре противоположно расположенных пазов размещены с возможностью ограниченного перемещения ролики рычагов, шарнирно связанных с боковой поверхностью тигля в зоне ее перехода в днище, а в другой паре пазов размещены с возможностью ограниченного перемещения ролики, закрепленные на боковой поверхности в верхней части тигля, оси которых проходят через точку слива внутренней поверхности тигля, наиболее удаленную от его оси в плоскости опрокидывания, при этом длина хода роликов определена из условия обеспечения перемещения тигля по траектории, обеспечивающей перемещение точки слива по вертикальной линии, каркас в верхней части имеет упорные элементы для упора тигля и обеспечения совместного с тиглем перемещения вверх, подвижную в горизонтальной плоскости опору тигля, закрепленную в стенке каркаса, для установки расчетного зазора между концом электрода и заготовкой, и элемент фиксации положения каркаса в вертикальной плоскости.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательский уровень заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявляемого способа и установки для его осуществления.

Результаты поиска показали, что заявляемое изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники. При поиске не выявлено технических решений на способы, которые предусматривали бы получение малогабаритных отливок электродуговой вакуумной плавкой в тиглях, конструкция которых не требовала бы, как в заявленном решении, отвода тепла через стенки для образования гарнисажного слоя, а также технических решений установки расчетного зазора, вывода электрода из тигля путем перемещения тигля. Не выявлено также технических решений на плавильно-заливочные установки для получения малогабаритных отливок с использованием тигля, изготовленного из материала с низкой теплопроводностью, с внутренней поверхностью, покрытой тугоплавким низкореакционным материалом, не вступающего в химическое взаимодействие с расплавом, а также технических решений на конструкцию узла заливки с опрокидывающимся тиглем с применением рычажно-роликового механизма. Заявляемые способ производства малогабаритных отливок из высокоактивных металлов и сплавов и установка для его осуществления в своей новой совокупности и взаимосвязи существенных признаков позволяют получить новые технические свойства, не присущие известным аналогичным техническим решениям на установки и способы, а также заявляемым отличительным от прототипа признакам, известным порознь, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленных технических решений критерию изобретательский уровень.

На чертеже представлен общий вид установки для получения малогабаритных отливок из высокоактивных металлов и сплавов.

В плавильно-заливочной камере 1 размещены неплавящийся электрод 2 и тигель 3, которые образуют плавильный узел установки. Тигель 3 изготовлен из графита с внутренней поверхностью, покрытой вольфрамом, не взаимодействующим с расплавом. Тигель 3 связан с устройством опрокидывания, которое представляет собой каркас, состоящий из двух параллельно скрепленных между собой стенок 4, имеющих по два параллельных вертикально расположенных паза 5 и 6. В пазах 5 каждой стенки 4 размещены с возможностью ограниченного перемещения ролики 7, закрепленные на концах рычагов 8, другой конец которых связан посредством шарниров 9 с боковой поверхностью тигля 3 в зоне ее перехода в днище, а в пазах 6 стенок 4 размещены с возможностью ограниченного перемещения ролики 10, закрепленные на боковой поверхности в верхней части тигля 3, причем оси роликов 10 проходят через точку слива внутренней поверхности тигля 3, наиболее удаленную от его оси в плоскости опрокидывания. Кроме того, каркас имеет возможность вертикального возвратно-поступательного перемещения по направляющим 11 и фиксации упором 12, снабжен упорными пластинами 13 для упора тигля 3 и обеспечения перемещения совместно с тиглем 3 вверх, подвижной опорой 14 тигля 3, закрепленной в стенке каркаса из условия установки расчетного зазора между концом электрода 2 и заготовкой 15 при перемещении тигля 3 вниз относительно каркаса до опоры 14. Опора 14 имеет возможность перемещения в горизонтальной плоскости с автоматизированным обратным ходом - для захода и выхода из-под днища тигля 3 перед опрокидыванием последнего. Длина пазов 5 определена расчетным путем из условия обеспечения возможности перемещения тигля 3 согласно заданной траектории - перемещение тигля 3 вверх до упора в упорные пластины 13 и вниз на величину расчетного зазора и расстояния, необходимого для вывода электрода 2 из тигля 3. Для выполнения условия установки расчетного зазора учитываются высота корпуса тигля 3 и величина расчетного зазора - расстояние между упорными пластинами 13 и опорой 14 равно сумме этих величин. Длина пазов 6 определена расчетным путем из условия обеспечения опускания и поворота тигля 3, достаточных для слива расплавленного материала в литейную форму. На дне тигля 3 установлена заготовка 15. Литейная форма 16 закреплена на центробежном столе 17.

Способ с использованием заявленного устройства осуществляется следующим образом.

Перед плавкой заготовку 15 устанавливают на дно тигля 3. Тигель 3 вручную поднимают вверх и он, упираясь краями стенок в упорные пластины 13 каркаса устройства опрокидывания, увлекает его за собой. Каркас по направляющим 11 поднимается вслед за тиглем 3 и фиксируется упором 12 после того, как поверхность заготовки 15 коснется конца электрода 2. Опору 14 заводят под днище тигля 3, при этом между днищем тигля 3 и опорой 14 остается зазор, равный по величине расстоянию между концом электрода 2 и поверхностью расплавляемой заготовки 15, необходимому для зажигания электрической дуги. После этого тигель 3 отпускают, и он под собственным весом опускается до касания днищем опоры 14, создавая таким образом расчетный зазор между концом электрода 2 и поверхностью заготовки 15. В таком положении тигля 3 ролики 7 рычагов 8 имеют запас хода по пазам 5, равный величине перемещения тигля 3 относительно электрода 2, необходимого для вывода электрода 2 из тигля 3. Камеру 1 закрывают и вакуумируют. Зажигают электрическую дугу. После расплавления заготовки 15 опора 14 автоматически отводится из-под днища тигля 3, который в результате вместе с рычагами 8 падает вертикально вниз, при этом ролики 7 и 10 перемещаются также вниз по пазам 5 и 6. Конец электрода 2 оказывается за пределами тигля 3. Когда ролики 7 нижних концов рычагов 8 проходят ограниченный расчетный путь по пазам 5 и останавливаются, верхние концы рычагов 8, связанные шарнирно с тиглем 3, начинают двигаться по дуге с радиусом, равным длине рычага 8, а ролики 10 тигля 3 продолжают перемещаться по пазам 6 вертикально вниз. В результате суммирования этих движений происходит опрокидывание тигля 3. При этом точка слива расплава внутренней поверхности тигля 3, наиболее удаленная от его оси в плоскости опрокидывания, движется строго вертикально, что исключает разбрызгивание расплава при заливке в литейную форму 16.

Заявляемая совокупность и взаимосвязь существенных признаков обеспечивают:

- снижение энергозатрат вследствие низкой теплопроводности тигля;

- сохранение химического состава и однородности исходного материала вследствие исключения его химического взаимодействия с поверхностью тигля, что ведет к повышению качества отливки;

- упрощение расчетов режимов плавки вследствие исключения необходимости поддержания температуры внутренней поверхности тигля в узких пределах для поддержания гарнисажного слоя;

- возможность повышения температуры перегрева расплавленного металла над температурой его плавления, то есть повышения его текучести при заливке в формы, что повышает качество отливок;

- более полное использование объема расплавленного металла при заливке в литейную форму за счет его высокой прогреваемости у стенок тигля из-за низкой теплопроводности последнего, а следовательно, повышение производительности установки;

- возможность использования тонкостенного тигля, так как уменьшение толщины стенок ограничивается только механическими характеристиками материала тигля, а это приводит к уменьшению его массы, габаритов и уменьшению габаритов и массы самой установки;

- сокращение времени технологического цикла и повышение КПД установки вследствие более рационального использования энергии электрической дуги;

- упрощение конструкции установки и повышение герметичности вакуумной камеры за счет создания нового способа и механизма вывода электрода из тигля;

- обеспечение оптимальной траектории движения тигля при опрокидывании, что устраняет разбрызгивание расплавленного металла при заливке в литейную форму;

- упрощение способа установки расчетного зазора между электродом и заготовкой, что сокращает технологический цикл расплавления и заливки.

Для заявленных способа и установки для его осуществления в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность их осуществления с помощью описанных в заявке средств с достижением указанного выше технического результата, не присущего прототипу.