5.3. Конструкции плавильно-заливочных установок для плавки титановых сплавов

Процесс плавки и заливки титановых форм осуществляется в одном устройстве – плавильно-заливочной установке (ПЗУ).

В состав любой ПЗУ входят собственно вакуумная электродуговая гарнисажная печь, источник питания и вакуумная система. Современные ПЗУ снабжены устройствами для загрузки и выгрузки форм.

Питание плавильных печей производится постоянным током, обеспечивающим устойчивое горение дуги. Катодом служит электрод, а анодом ванна жидкого титана. Такая схема называется схемой прямой полярности. Источниками питания являются полупроводниковые выпрямительные устройства, которые выдают постоянный ток силой от 5 до 40 кА с напряжением 75 В.

Конструкция печи зависит от способа разливки металла по формам. По этому признаку все печи делятся на две группы: печи с разливкой металла при горящей дуге (разливка из под дуги) и печи с разливкой металла после выключения дуги. Различные схемы разливки металла по формам показаны на рис. 27.

Рис. 27. Схемы разливки металла в дуговых гарнисажных печах: а, б – при горящей дуге; в – при отключенной дуге

В печах первой группы при сливе металла не происходит охлаждение ванны, что способствует сохранению жидкотекучести расплава и лучшему заполнению литейных форм. Однако эта схема разливки усложняет конструкцию печей и условия их эксплуатации.

В печах с малым объемом тигля, работающих по схеме с разливкой металла при горящей дуге (рис 27, а), узел электрод – тигель и литейная форма жестко связаны с корпусом печи, и разливка осуществляется путем ее поворота. В промышленных печах такая схема реализуется путем наклоняющегося узла тигель – электрод внутри неподвижного корпуса или поворотного коробчатого тигля (рис. 27, б). В боковой стенке такого тигля расположено сливное отверстие (летка) с таким расчетом, чтобы до него не доходил уровень жидкого металла при плавке. После поворота тигля на 90^о летка оказывается внизу, а относительное положение электрода и зеркала ванны не меняется, поэтому дуга может гореть во время слива.

В печах второй группы, чтобы не препятствовать повороту тигля, остаток электрода поднимается, прерывая горение дуги. Такие печи широко распространены в промышленности.

На рис. 28 приведена конструкция такой печи типа ВДЛ-1. Расплав после поворота корпуса попадает в литейную форму путем свободной заливки из тигля.

Основные технические характеристики некоторых современных ПЗУ приведены в таблице 14.

Рис. 28. Схема гарнисажной печи поворотного типа: 1 – токоподвод;. 2 – кожух литейной формы; 3 – форма; 4 – электрододержатель; 5 – электрод; 6 – графитовый тигель; 7 – смотровое окно

Таблица 14

Технические характеристики некоторых гарнисажных ПЗУ

Тип ПЗУ	Ем- кость тигля, кг	Сила тока дуги, кА	Заливочный контейнер			Габариты, мм
			Коли-чество	Диа-метр, мм	Высо- та,мм	Длина	Шири- на	Высо- та
833Д ДВЛ-200 ДВЛ-250 ДВЛ-250М ДВЛ-160М	130 250 400 600 400	16 25 25 37,5 25	1 1 2 2 -	1000 1350 1380 2200 2250	640 1000 1350 800 1800	7000 10000 12400 12400 -	6500 10000 9700 8700 -	7600 9450 10200 10200 -

Для получения тонкостенных отливок в печах использован метод принудительного заполнения форм под действием центробежных сил или дополнительного давления.

На рис. 29 показана конструкция ПЗУ 833Д. Она предназначена для мелкосерийного производства титановых отливок небольших и средних габаритов. Графитовый водоохлаждаемый тигель 1 расположен внутри цилиндрической вакуумной камеры 2. Механизм подачи электрода 3 состоит из электропривода рабочей подачи и пневмоцилиндра для отброса электрода перед разливкой. Контейнер 4 с литейными формами устанавливают при помощи консольного крана 5 на центробежный стол с бесступенчатым приводом 8. Скорость вращения стола диаметром 1000 мм от 200 до 600 об/мин. Разливка металла производится после выключения дуги поворотом тигля с помощью гидропривода (не показан) вокруг оси, проходящей через сливной носок, по направляющему лотку 7. Краном 5 производится и установка нового электрода 6 на позицию приварки к огарку. ПЗУ 833Д является агрегатом периодического действия с продолжительным циклом получения отливок. После заливки форм останавливают центробежный стол, охлаждают в вакууме отливки до температуры 300 - 400 ^оС, производят разгерметизацию камеры печи и извлекают контейнер с литейными формами.

ПЗУ ДВЛ-160М (рис.30) отличается более высокой производительностью, так как является многопозиционной. Она состоит из одной плавильной 1, трех заливочных камер 2 и стенда приварки электродов 3. В каждой заливочной камере размещен центробежный стол диаметром 2250 мм.

Плавильная камера перемещается на тележке 4 над стендом приварки и заливочными камерами по рельсам 5. Стыковка плавильной камеры с заливочными камерами производится при помощи вакуумных затворов. Каждая заливочная камера имеет свою вакуумную систему. Плавка ведется в графитовом тигле емкостью 400 кг. После разливки плавильная камера отсоединяется от заливочной камеры без нарушения в них вакуума и перемещается по рельсам к следующей заливочной камере, подготовленной к заливке.

Технологический процесс плавки титановых сплавов в любой ПЗУ проводится в следующей последовательности: подготовка печи к плавке, установка и приварка расходуемого электрода к огарку или электрододержателю, создание вакуума в камере печи, плавка металла и заливка форм.

Рис. 29. Вакуумная плавильно-заливочная установка 833Д

Рис. 30. Вакуумная плавильно-заливочная установка ДВЛ-160М

Приварка расходуемого электрода производится в вакууме с остаточным давлением 67 – 13 Па. Электрододержатель (огарок) подводится к электроду и за счет электрической дуги на торце электрода расплавляют лунку жидкого металла. Далее выключается электрический ток и электрододержатель прижимается к оплавленному электроду.

Герметизация печи и откачка вакуума длятся от 20 до 40 мин.

Пока в ПЗУ наибольшее применение нашли графитовые тигли с водяным охлаждением стенок через водоохлаждаемый медный токоподвод. Дно охлаждается за счет теплового излучения. Толщина стенок тигля от 60 мм в нижней части до 20 мм вверху. Толщина дна достигает до 100 мм. Тигли могут быть изготовлены из меди или нержавеющей стали, но их применение сдерживается из-за опасности проплавления и взрыва.

Перспективным методом является индукционный способ плавки в «холодных» тиглях.

Вопросы для самоконтроля

1. Почему необходима вакуумная плавка титана?

2. Какая глубина вакуума необходима при плавке титана?

3. Как влияют на свойства титановых сплавов примеси?

4. Принцип работы вакуумной гарнисажной печи?

5. Что такое гарнисаж?

6. Из чего выполнен тигель гарнисажной печи?

7. Какова оптимальная толщина гарнисажа?

8. Какая сила тока необходима для плавления титана?

9. Можно ли переплавлять отходы в гарнисажных печах?

10. Как готовят отходы к переплавке?

11. Можно ли вести разливку расплава с включенной дугой?

12. Где размещается литейная форма при гарнисажной плавке?

13. Из чего выполняются расходуемые электроды?

14. Как осуществляется приварка электродов?

15. В какие литейные формы заливают титановые сплавы?

16. Что предусмотрено в ПЗУ для улучшения заполняемости форм?

17. Назовите основной недостаток печей периодического действия.