3. Оборудование

3.1. Лабораторная вакуумная индукционная печь.

Лабораторная ВИП включает в себя плавильную камеру, вакуумную систему и источник питания. Питание печи производится от средне-частотного преобразователя модностью 50 кВт (напряжение 300 В, частота 10 кГц.)

3.1.1. Плавильная камера

Схема плавильной камеры представлена на рис.7.2. Корпус печи выполнен из аустенитной (немагнитной) нержавеющей стали и снабжен рубашкой водяного охлаждения. Дозатор служит для вве­дения в тигель добавок без нарушения герметичности печи. Загрузку материалов в дозатор производят при закрытом вакуумном затворе. После загрузки дозатора его внутреннее пространство откачивают вакуумным насосом, затем открывают затвор и вводят добавки в тигель. На этом же принципе основано действие устройства для отбора проб и измерения температуры (в этом случае шлюзовая камера необходима для смены защитного колпачка термопары и замены пробного стакана). Печь оборудована одним вакуумным затвором, и в зависимости от проводимой операции (отбор пробы замер температуры, присадка добавок) с помощью револьверного устройства осуществляется соединение необходимой камеры (дозаторной, термопарной, пробоотборной) с камерой печи. Устройство для напуска в печь аргона либо продувки ванны газами состоит из двух электроклапанов, газоподводящей металлической трубки и кварцевого наконечника-фурмы. В ряде узлов печи для передачи движения в вакууме использованы так называемые уплотнения Вильсо­на. По конструкции такое уплотнение представляет собой полирован­ный шток, проходящий через серию резиновых прокладок, которые выгнуты в сторону от вакуума (таким образом, что атмосферное давление прижимает резину к штоку).

Рис.7.2. Плавильная камера и вакуумная схема печи.

1- корпус печи; 2- крышка печи; 3,6,8,10- вакуумные краны;

4- форвакуумный насос; 5,9- высоковакуумные затворы;

7- мембранный вакууметр; 14,15- электроклапаны;11- диффузионный насос;

12,13,14- шлюзовые камеры дозатора, теомопары, пробоотборника;

16- индуктор; 17-тигель; 18- изложница; 19-термопарный вакуумметр

Разливка металла производится в одну или несколько изложниц, которые устанавливают на поворотном столе, смонтированном в рабо­чей камере печи. Тигель вакуумной индукционной печи является важ­нейшим элементом установки, от стойкости которого зависит как производительность печи, так и качество выплавляемой стали. Стой­кость основной футеровки ВИП обычно не превышает 50 плавок. В ва­кууме взаимодействия футеровки тигля с металлом усиливается, что видно из реакций:

Al₂O₃(ТВ) + 3[C] = 2 [Al] + 3CO(Г) (7.2)

MgO(ТВ) = Mg(Г) + [O] (7.3)

Реакция 7.3. служит одним из основных источников попадания в металл кислорода. По реакции 7.2 расплав загрязняется алюминием.

Тигли ВИП изготавливают из наиболее чистых электроплавленных материалов. Хорошие результаты дает, например, смесь из 94% плав­ленной окиси магния (фракции 3-0,08 мм) и 6% электрокорунда. Материалы хорошо прокаливаются и тщательно смешивают. Набавку тигля ведут без связки и увлажнения непосредственно в индукторе "по шаблону". Индуктор предварительно покрывают слоем электричес­кой и тепловой изоляции. Можно использовать массу, состоящую из спирта, мелкого электрокорунда и этилсиликата. Можно применять стеклоткань, которую приклеивают к катушке индуктора, жидким стеклом, изоляционный слой тщательно просушивают; он образует "кожух" футеровка и не дает огнеупорным материалам высыпаться в зазоры между витками индуктора.

3. 1. 2. Вакуумная система печи

Схема вакуумной системы печи, форвакуумного и паромасляного диффузионного насосов, а также датчика вакуумметра представлены на рис. 7. 2, 3, 4. Основные характеристики, используемых в лабора­торной работе вакуум-насосов приведены в табл. 7. 1.

Таблица 7. 1

Основные характеристики вакуумных насосов

Тип насоса	Предельное остаточное давление, Па	Быстрота действия, дм3 /сек (в скобках диапазон давлений, Па)
Пластинчато-роторный насос	2,5	16,5 (от 105 до 1)
Парамасляный диффузионный насос	10-3	3000 (от 1 до 10-3)

Механический пластинчато-роторный насос работает следующим образом. В цилиндрической расточке камеры насоса 1 вращается в направлении, указанном стрелкой, эксцентрично расположенный ротор 2, в прорези которого свободно вставлены пластины 3 с пружинами 4. При вращении ротора пластины скользят по внутренней поверхности цилиндра и в камере насоса образуются три полости переменного объема: А - полость всасывания; В - промежуточная и С - сжатия. Полость всасывания при вращении ротора увеличивает свой объем, и в нее поступает газ из впускного патрубка 5, свя­занного с откачиваемой системой. Объем полости сжатия уменьшается при вращении ротора, и в ней сжимается газ, который выбрасывается в атмосферу через клапан 6.

Рис.7.3. Вакуумные насосы

1- механический пластинчато-роторный

1-камера; 2-ротор; 3-пластина; 4-пружина; 5-впускной патрубок; 6-выпускной клапан; полости: А-всасывания,

В-промежуточная, С-сжатия.

2- диффузионный насос

1-корпус, 2-выхлопной патрубок, 3-паропровод, 4-сопло, 5- нагреватель, 6- водяное охлаждение, 7-струя

масляного пара, 8-эвакуируемый газ

Механическим пластинчато-роторным насосом производится предвари­тельная откачка печи. Время откачки (t, c) можно рассчитать по формуле:

, (7.4)

где V- объем установки, м³ (V =0,3 м³) ;

S_ЭФФ - эффективная скорость откачки, м³/с;

P_1, Р_2, Р₀ - начальное, конечное и предельное давление в системе, Па. Обычно при предварительной откачке Р₀<< P₁ , Р₂ , поэтому величиной Р₀ в расчетах пренебрегают.

После достижения остаточного давления ниже 20-25 Па включают нагре­ватель диффузионного насоса. Примерно через 20-25 мин насос начи­нает работать и давление в печи постепенно снижается до 0,1 Па.

Принцип действия диффузионного насоса состоит в том, что струя масляного пара увлекает с собой молекулы эвакуируемого газа 8 и передает им значительную кинетическую энергию. Происходит это как за счет вязкостного захвата, так и в результате диффузии молекул газа внутрь струи паров масла. Достигая водоохлаждаемой стенки насоса 1, пар конденсируется. Масло стекает к нагревателю и снова в виде пара проходит к соплам 4. Молекулы эвакуируемого газа подхватываются парами масла на следующей ступени и так до выхлопного патрубка, где они увлекаются механическим насосом. При необходимости напуска в печь воздуха (например, для новой загрузки) последующую откачку производят с помощью байпасной линии, минуя работающий "на себя" диффузионный насос.

Рас. 7.4. Схема датчика термо­парного вакуумметра:

1-корпус, 2-нить накала, 3-термопара

Для измерения вакуума используют вакуумметр термопарного типа (рис. 7.4). При этом давление в системе определяется по величине э. д. с термопары, которая измеряет температуру нагревателя, питае­мого током строго определенной величины. В этих условиях темпера­тура нагревателя зависит от теплопроводности среды, т. е. от давления.