Результат интеллектуальной деятельности: НАБОРНЫЙ ПЛАВИЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ

Изобретение относится к плавильному оборудованию, а именно к конструктивным элементам вакуумно-дуговых печей, плазменно-дуговых и электронно-лучевых печей, в конструкции которых используется водоохлаждаемый плавильный инструмент (холодные тигли).

Выплавка химически активных тугоплавких материалов без их загрязнения в промышленных масштабах возможна только в холодных тиглях, т.е. в контейнерах, рабочая температура которых ниже температуры переплавляемого материала. Выделяя тем или иным способом тепло в садке, удается создать устойчивую ванну расплава, непосредственно соприкасающуюся с холодным тиглем или отделенную от него слоем нерасплавившегося материала (гарнисажа). Гарнисаж предохраняет расплав от влияния тигля. Плавка с гарнисажем гарантирует абсолютную чистоту расплава.

Холодные тигли, как правило, изготовляются в виде сегментов из профилированных неравностенных медных трубок или массивных сварных фрезерованных медных секций, которые конструктивно трудоемки в изготовлении (А.С. СССР №185492, 1967 г.; А.С. СССР №273373, 1970 г.).

Плавильный инструмент в процессе работы испытывает большие тепловые нагрузки. Тепловые потоки через его стенки могут достигать от сотен до тысяч киловатт на квадратный метр, а в аварийных ситуациях превосходят эту величину. В результате больших градиентов температур возникают термические напряжения. Кроме того, инструмент испытывает большие механические нагрузки от веса собственной конструкции и веса расплава, циклических нагрузок. Прожог инструмента, потеря герметичности или иные даже локальные разрушения конструкции инструмента недопустимы. Например, разрушение тигля при выплавке титана влечет за собой не только паровой взрыв, но и взрыв гремучей смеси, т.к. титан взаимодействует с водой с ее диссоциацией и выделением свободного водорода.

Известен плавильный водоохлаждаемый тигель, который содержит рабочую оболочку (металлический корпус), на внешней поверхности которой выполнены радиальные лунки, и корпус водяной рубашки, внутри которого установлен цилиндр с трубками для подвода охладителя непосредственно в лунки, диаметр которых превышает диаметр трубки (РФ №2137069, МПК F27B 14/04, публ. 1999.09.10).

Недостатком данного тигля является сложность конструкции, его низкая технологичность, требующая больших трудозатрат при изготовлении и эксплуатации. Боковые поверхности тигля охлаждаются более интенсивно по сравнению с дном, что вызывает тепловые напряжения, приводящие к снижению стойкости тигля.

Известны холодные тигли, которые изготовляются в виде сегментов из профилированных неравностенных медных трубок или массивных сварных фрезерованных медных секций (А.С. СССР №185492, 1967 г.; а.с. СССР №273373, 1970 г.).

Тигли сложны конструктивно, трудоемки в изготовлении и используются в печах с относительно малым объемом расплава.

Известен плавильный водоохлаждаемый тигель, содержащий металлический корпус с герметичными внутренними каналами охлаждения, корпус выполнен из биметаллических плит, полученных путем сварки взрывом медного слоя со слоем нержавеющей стали. В полученной таким образом плите посредством направленного перемещения специальной фрезы формируются каналы охлаждения в медном слое, с помощью которых производится регулировка тепловых процессов в тигле. Плиты соединены между собой упругими элементами. Водоохлаждаемые каналы выполнены в одной плоскости (патент РФ №2166714) - прототип.

Недостатком данной конструкции является то, что данный холодный тигель сложен в изготовлении, требует наличия крупногабаритных медных плит, обычно изготовляемых по индивидуальным заказам, уникального оборудования и навыков персонала, в частности при осуществлении сварки взрывом и сложной механической обработки, и практически не поддается ремонту. Количество воды, находящейся в водоохлаждаемых каналах инструмента велико, вода при его прожоге попадает в зону плавки, приводит к аварии с тяжелыми последствиями.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является упрощение технологии изготовления холодного тигля.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является:

- разработка конструкции сборного плавильного инструмента, набираемого из прессованных модулей, с минимальным использованием механической обработки;

- технологичность конструкции плавильного инструмента, его высокая стойкость, простота в монтаже, эксплуатации и ремонте;

- универсальность - возможность конструирования из ограниченного числа номенклатуры прессованных модулей большого числа типоразмеров плавильного инструмента.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в водоохлаждаемом плавильном инструменте, содержащем металлический корпус с внутренними герметическими каналами охлаждения, арматуру для подсоединения трубопроводов к системе водоснабжения и элементы крепежа, металлический корпус изготовлен наборным из прессованных модулей, полости которых образуют каналы охлаждения.

С целью повышения взрывобезопасности водоохлаждаемого плавильного инструмента в прессованных модулях выполнено по два канала, последовательно соединенных между собой и автономно подключенных к системе водоснабжения. Поэтому в случае прожога количество воды, которая может поступить в рабочие пространства тигля, ограничено ее объемом, находящимся в одном модуле, что резко снижает потенциальную энергию возможного взрыва и разрушения конструкции печи. Более того, технологически не вызывает проблем отключение подачи воды в этот элемент и, следовательно, гарантированное сохранение конструкции печи.

Для использования в гарнисажных, электронно-лучевых и плазменных печах металлический корпус водоохлаждаемого плавильного инструмента набран в форме многоугольной ванны (пода или тигля).

Для использования в вакуумных дуговых печах и в печах с вытяжкой слитка металлический корпус водоохлаждаемого плавильного инструмента набран в форме полого цилиндра.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан прессованный модуль с одним каналом, на фиг.2 - прессованный модуль с двумя каналами, на фиг.3 - наборный плавильный инструмент, набранный в форме четырехугольной ванны, на фиг 4 - плавильный инструмент, набранный в форме цилиндрического стакана.

Прессованный модуль выполнен в виде полого профиля из медных сплавов, его конфигурации (геометрические размеры, расположение водоохлаждаемого канала относительно поверхности и пр.) определяются теплофизическими требованиями, предъявляемыми к плавильному инструменту. Прямоугольный профиль 1 на фиг.1 выполнен с одним водоохлаждающим каналом 2 и пазами 3, профиль 4 на фиг.2 - с двумя водоохлаждающими каналами 5, разделенными вставным сегментом 6.

Наборный плавильный инструмент на фиг.3 для гарнисажной плавки 3 содержит корпус, состоящий из днища 7, боковых стенок 8, передней стенки 9 и задней стенки 10. Днище и стенки выполнены наборными из модулей 1 и 2 и крепятся к раме (не показана). Каналы охлаждения посредством коллекторов последовательно соединены между собой и имеют патрубки подвода и отвода воды (не показаны).

Наборный плавильный инструмент для вакуумной дуговой плавки (фиг.4) содержит цилиндрический корпус 11, набранный из модулей и поддона (не показан).

Предлагаемая наборная конструкция плавильного инструмента позволяет упростить технологию его изготовления и повысить ремонтопригодность (замена отдельных модулей производится по их состоянию) и взрывобезопасность. Конструкция позволяет путем набора типовых модулей создавать большое число типоразмеров плавильного инструмента различного назначения.