ОПОКА Российский патент 1996 года по МПК B22C9/02 

Заявляемое изобретение относится к литейному производству, в частности, к опокам, преимущественно для вакуумной формовки в условиях индивидуального, мелкосерийного, серийного и крупносерийного производства.

Известен кокиль [1] элементы (матрицы) которого, а также поддон и плита верхнего стержня выполнены с полостями с циркулирующей в них охлаждающей водой.

Недостатком известного кокиля является низкая безопасность охлаждения непосредственно его элементов (матриц) водой, которые циклически нагреваются до высоких температур, например, до 300^oС, и в них могут образовываться сквозные трещины или внезапно раскрываться скрытые дефекты.

Известна опока [2] преимущественно для вакуумной формовки, содержащая корпус, выполненный с вакуумной полостью и соединенными с ней вентиляционными отверстиями, установленные на стенках корпуса теплообменники в виде отдельных секций трубчатых контуров с циркулирующей в них охлаждающей жидкостью, которые снабжены трубопроводами подвода и отвода охлаждающей жидкости.

Недостатками известной опоки, преимущественно для вакуумной формовки, являются низкие безопасность и производительность из-за возможного внезапного раскрытия скрытых дефектов охлаждающих труб, образования в них сквозных трещин вследствие циклических температурных нагрузок и попадания охлаждающей жидкости в область нагретого огнеупорного наполнителя и жидкого расплава, залитого в форму, и последующего взрыва, а также как следствие указанного выше, длительное время остывания отливок, ограничение области применения вакуумной формовки и возможности механизации операций формовки, что снижает производительность, а также сложная конструкция теплообменников в виде отдельных секций трубчатых контуров с циркулирующей в них охлаждающей жидкостью с отводными трубами подачи и отвода жидкости от каждой секции, что не обеспечивает жесткости их конструкции, надежности в работе, простоты в обслуживании, повышает затраты на их изготовление, ремонт, и как следствие, ограничивает область применения, что также снижает производительность.

Целью изобретения являются повышение безопасности и производительности.

Поставленная цель достигается тем, что в опоке, преимущественно для вакуумной формовке, содержащей корпус, выполненный с вакуумной полостью и соединенными с ней вентиляционными отверстиями, установленные на стенках корпуса теплообменники в виде трубчатых контуров с циркулирующей в них охлаждающей жидкостью, которые снабжены трубопроводами подвода и отвода охлаждающей жидкости, согласно изобретению, трубчатый контур теплообменника снабжен охватывающим его наружную поверхность герметическим кожухом с зазором, образующим полость, которая заполнена огнеупорным материалом, при этом, трубчатый контур выполнен в виде блока, например, в форме трубы, контур подвода жидкости к теплообменнику размещен у основания блока, а параллельный ему контур отвода жидкости от теплообменника размещен в верхней части блока, между собой оба контура соединены рядом охлаждающих труб, полость теплообменника соединена с атмосферой посредством трубопровода и заполнена, например, алюминиевым порошком, в теплообменнике выполнены проемы, расположенные в системе координат, в которых размещены отъемные патрубки, соединенные с вакуумной полостью опоки и снабженные вентиляционными отверстиями.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая опока, преимущественно для вакуумной формовки отличается тем, что трубчатый контур теплообменника снабжен охватывающим его наружную поверхность герметичным кожухом с зазором, образуя полость, которая заполнена теплопроводным материалом, что обеспечивает дополнительную герметизацию трубчатого контура на случай разгерметизации его (внезапное раскрытие скрытых дефектов охлаждающих труб, образование в них сквозных трещин вследствие циклических температурных нагрузок и др.) и исключение попадания охлаждающей жидкости в область нагретого огнеупорного наполнителя и жидкого расплава, залитого в форму, и последующего взрыва, а также передачу тепла охлаждающейся отливки посредством огнеупорного наполнителя и герметичного кожуха к теплопроводному материалу полости и далее к трубчатому контуру и охлаждающей жидкости, циркулирующей в нем, и таким образом, позволяет повысить безопасность, расширить, например, область применения вакуумной формовки, так как при этом сокращается время охлаждения отливок в формах и цикл их изготовления, уменьшается количество опок, задействованных одновременно на операциях охлаждения и, соответственно, уменьшаются габариты формовочных линий, обеспечивается возможность управления процессом направленности охлаждения отливок, в форму снизу-вверх за счет, например, охлаждения нижних полуформ, а затем верхних, что повышает плотность тел отливок, охлаждение огнеупорного наполнителя в залитой металлом форме обеспечивает снижение энергозатрат, сокращение времени на операциях его охлаждения перед формовкой и сокращение количества охлаждающих установок и производственных площадей, обеспечивает возможность утилизировать тепло залитой металлом формы, передавая его от теплообменников в цеховые, заводские и другие тепломагистрали, и сокращение энергозатрат в литейном производстве, что снижает затраты на производство отливок и повышает производительность, при этом, трубчатый контур выполнен в виде блока, например, в форме трубы, контур подвода жидкости к теплообменнику размещен у основания блока, а параллельный ему контур отвода жидкости в верхней части блока, между собой оба контура соединены рядом охлаждающих труб и таким образом упрощает его конструкцию, монтаж на опоке и демонтаж, уменьшает количество обводных труб на внешних поверхностях опоки, обеспечивает снижение затрат на его изготовление, монтаж, обслуживание в работе, повышение жесткости конструкции теплообменника и его надежность, что позволяет повысить безопасность при его эксплуатации, расширить, например, область применения вакуумной формовки и, таким образом, повысить уровень механизации на операциях формовки, что повышает производительность, а полость теплообменника соединена с атмосферой посредством трубопровода и заполнена, например, алюминиевым порошком, что обеспечивает простоту конструкции теплообменника, технологичность заполнения его полости теплопроводным материалом, эффективную работу и, следовательно, дешевизну изготовления, повышение производительности, а в случае разгерметизации трубчатого контура охлаждающая жидкость автоматически безопасно отводится по трубопроводу в специальную емкость, соединенную с атмосферой, в теплообменнике выполнены проемы, расположенные в системе координат, в которых размещены отъемные патрубки, соединенные с вакуумной полостью опоки и снабженные вентиляционными отверстиями, что обеспечивает компактную, простую и надежную конструкцию сопряжения теплообменников и патрубков с вентиляционными каналами, соединенными с вакуумной полостью и позволяет сохранить эффективную систему вакуумирования опоки и отбора тепла от огнеупорного наполнителя, позволяет применить теплообменник в виде блока, например, в форме трубы, так как обеспечивает возможность его монтажа на опоке, перед монтажом отъемных патрубков с вентиляционными отверстиями, соединенных с вакуумной системой, что снижает затраты на изготовление опоки и повышает производительность, позволяет осуществлять профилактический контроль герметичности теплообменников и их замену при необходимости, что повышает безопасность.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
На фиг.1 схематически изображен общий вид опоки для вакуумной формовки;
на фиг.2 схематически изображен вид сверху на фиг.1;
на фиг.3 схематически изображен вид А на фиг.1;
на фиг.4 схематически изображен вид I на фиг.1;
на фиг.5 схематически изображен вид II на фиг.3;
на фиг.6 схематически изображен вид Б на фиг.1.

на фиг.7 схематически изображен общий вид теплообменника;
на фиг.8 схематически изображен вид сверху на фиг.7.

Опока для вакуумной формовки устроена следующим образом.

Корпус 1 опоки выполнен с вакуумной полостью, снабжен штуцером 2 для подключения источника вакуумирования (на чертеже не показан) и соединенными с ней вентиляционными отверстиями 3, в которых, посредством, например, резьбового соединения установлены патрубки 4 с кольцевыми уплотнителями 5 и вставками (на чертеже не обозначены), образующими вентиляционные отверстия-каналы (на чертеже не обозначены), на стенках и горизонтальной полке (на чертеже не обозначена) корпуса 1 опоки установлен теплообменник (на чертеже не обозначен), содержащий трубчатый контур 6 в виде блока, например, в форме трубы с упорами-распорками (на чертеже не обозначены), который снабжен охватывающим его наружную поверхность герметичным кожухом 7 с зазором, образующим посредством упоров-распорок (на чертеже не обозначены) полость, которая заполнена теплопроводным материалом 8, например, алюминиевым порошком, при этом, герметичный кожух 7 может быть другой конструкции, например, в виде системы труб, охватывающих наружные поверхности труб трубчатого контура 6 в виде блока с зазором, образующих посредством упоров-распорок сообщающиеся между собой полости, которые заполняют теплопроводным материалом, например, алюминиевым порошком, от вертикальных смещений кожух 7 зафиксирован посредством прижимов 9, закрепленных, например, болтами (на чертеже не обозначены) на корпусе 1, кожух 7 своим торцевым фланцем (на чертеже не обозначен) закреплен на вертикальной поверхности корпуса 1 опоки посредством прокладки 10 и болтом (на чертеже не обозначены) с целью герметизации опоки, при этом трубы контура 6 могут быть снабжены продольными или поперечными ребрами, например, приваренными к ним, для увеличения поверхности их и обеспечения более высокой теплопроводности от теплопроводного наполнителя 8 к охлаждающим трубам контура 6, у основания блока трубчатого контура 6 размещен трубчатый контур 11 подвода жидкости (на чертеже не обозначена) к теплообменнику и выполнен в виде прямоугольника, а параллельный ему трубчатый контур 12 отвода жидкости от теплообменника в виде прямоугольника размещен в верхней части блока трубчатого контура 6, между собой оба трубчатых контура 11, 12 соединены рядами охлаждающих труб 13, в теплообменнике выполнены проемы 14 (отверстия), расположенные в системе координат между трубами 13, в которых размещены отъемные патрубки 4, соединенные с вакуумной полостью опоки и снабженные вентиляционными отверстиями, трубчатый контур 11 снабжен трубопроводом 15 подвода охлаждающей жидкости, а трубчатый контур 12 снабжен трубопроводом 61 отвода охлаждающей жидкости от теплообменника, при этом трубчатый контур 12 выполнен разомкнутым в области его сопряжения с трубопроводом 15 подвода охлаждающей жидкости, с целью уменьшения площади поверхности опоки, задействованной для его размещения и, таким образом, обеспечения простой конструкции системы вентиляции опоки, с оптимальным задействованием площадей поверхности теплообменника и опоки, без перекрытия поверхностей с вентиляционными каналами, полость герметичного кожуха 6 теплообменника соединена с атмосферой посредством двухканального патрубка 17, в торце которого выполнено два проема 18 и 19 для сообщения с атмосферой и передачи жидкости к теплообменнику или от него, при этом, торец патрубка 17 сопрягается с торцом патрубка (на чертеже не обозначен) от полости теплообменника посредством фильтра 20 и армирующей его сетки 21, перекрывающих трубопровод, соединяющей полость герметичного кожуха 7 теплообменника с атмосферой для предотвращения просыпания теплопроводного наполнителя 8 в полость патрубка 17, и торцем патрубка 15 или 16, посредством прокладки 10, на внешних поверхностях кожуха 7 теплообменника, взаимодействующих с огнеупорным наполнителем (на чертеже не показан) наварены гофрированные ребра 22, в областях между вентиляционными каналами опоки, для увеличения скорости передачи тепла от огнеупорного наполнителя опоки к теплообменнику.

Для повышения безопасности трубопровод (на чертеже не показан), соединяющий полость герметичного кожуха 8 теплообменника с атмосферой (в процессе работы этот трубопровод подводят к патрубкам 17 опоки посредством механизмов линии вакуумного литья на чертежах не показаны) оснащают манометром с электродатчиком, контролирующим давление и автоматически отключающим систему подачи охлаждающей жидкости в теплообменник и подключающим систему откачки жидкости, находящейся в теплообменнике в аварийных ситуациях - случай протекания охлаждающей жидкости в полость теплообменника, последующее повышение давления в полости, поступление паров жидкости через фильтр 20 и воздействия на контрольный манометр с электродатчиком (на чертеже не показан). Трубчатый контур теплообменника блок может быть другой конструкции, например, с дополнительной горизонтальной секцией для охлаждения нижней - горизонтальной области огнеупорного наполнителя опоки с индивидуальными трубопроводами подвода и отвода охлаждающей жидкости к секции теплообменника, что расширяет возможности направленного охлаждения отливки в опоке - снизу-вверх. Патрубки 17 отвода и подвода жидкости к опоке и сообщения с атмосферой полостей теплообменника могут быть размещены с одной стороны опоки или с трех сторон в зависимости от поставленной задачи.

Трубчатый контур 11 подвода жидкости к теплообменнику и трубчатый контур 12 отвода жидкости от теплообменника пропускают такое количество охлаждающей жидкости (воды, например), при котором не образуются пробки пара в рядах охлаждающих труб 13, интенсивность подачи охлаждающей жидкости регулируется электромагнитными вентилями, получающими команды от термопар, расположенных в различных частях опоки зонах, при этом, термопары установлены в проемах 14 теплообменника и взаимодействуют (сопрягаются) с огнеупорным наполнителем опоки. Электромагнитные вентили имеют обводы с проходными вентилями малого сечения. Проходные вентили пропускают такое количество охлаждающей жидкости (воды), при котором не образуются пробки пара в рядах охлаждающих труб 13. Получаемый от термопары сигнал в специальном электроустройстве преобразуется в дискретный сигнал, управляющей вентилем (на чертежах не показан, относится к коммуникациям охлаждения формы с отливкой в опоке). Как только температура огнеупорного наполнителя опоки станет выше допустимой, по сигналу включается магнит соответствующего (термопаре) вентиля и подача воды увеличивается, а при уменьшении температуры на 15.20^oC ниже допустимой магнит отключается, снижая подачу воды [1]
Теплообменник изготавливается следующим образом.

Способом электросварки изготавливают трубчатый контур 6 в виде блока по габаритам опоки в свету, одновременно изготавливают таким же способом герметичный кожух 7 теплообменника. Затем трубчатый контур 6 устанавливают в торцевой проем в кожух 7, далее полость теплообменника наполняют теплопроводным наполнителем 8, одновременно подвергая вибрации кожух 7 на вибраторе (на чертеже не показан) и, таким образом, уплотняя наполнитель 8, затем на проем в кожухе 7 накладывают крышку и обваривают ее или крепят болтами с гайками посредством уплотняющей прокладки (на чертеже не обозначена) к кожуху 7. Далее дополнительно контролируют герметичность кожуха 7, герметичность трубчатого контура 6 контролируется после его изготовления. Теплообменник устанавливается в опоку до упора в нижнюю полочку опоки и фиксируется сверху посредством прижимов 9, закрепляемый на корпусе 1, например, болтами. В качестве охлаждающей жидкости (теплоносителя) может быть использована вода, силиконовые жидкости, что позволяет повысить рабочие температуры теплоносителей до 400^oС [1]
Пример работы заявляемой опоки.

После заливки, например, вакуумной формы в опоке металлом по команде с пульта управления (на чертеже не показан) посредством механизмов линии осуществляют прижим патрубков подвода и отвода охлаждающей жидкости и сообщения полости теплообменника с атмосферой (составные части коммуникаций охлаждения формы с отливкой в опоке на линии заливки и охлаждения форм) к патрубкам 17 опоки, затем по команде с пульта управления осуществляют подачу охлаждающей жидкости в теплообменник опоки через трубопровод 15 в контур 11, по всему периметру опоки жидкость поднимается вверх по рядам охлаждающих труб 13 и далее в контур 12 отвода жидкости и через трубопровод 16 к патрубку 17 и далее за пределы опоки.

Нагретый от жидкого металла в форме огнеупорный наполнитель опоки передает тепло кожуху 7 и его охлаждающим ребрам 22 далее через теплопроводный наполнитель 8 тепло передается охлаждающим трубам 13 и через них охлаждающей жидкости.

Как только температура огнеупорного наполнителя опоки станет выше допустимой, по сигналу включается магнит вентиля термопары (на чертеже не показана) и подача воды увеличивается, а при уменьшении температуры на 15.25 С ниже допустимой магнит отключается, снижая подачу воды.

После охлаждения огнеупорного наполнителя опоки до заданной температуры по команде с пульта управления подача охлаждающей жидкости прекращается, а оставшаяся жидкость в трубчатом контуре 6 теплообменника откачивается за пределы опоки, затем посредством механизмов линии, по команде с пульта управления, перемещают патрубки подвода и отвода охлаждающей жидкости и сообщения полости теплообменника с атмосферой за пределы опоки, затем по команде с пульта управления опоку на транспортном поддоне (на чертежах не показана) перемещают на операции удаления огнеупорного наполнителя и отливки из опоки.

Далее, в аналогичной последовательности осуществляют охлаждение огнеупорного наполнителя и отливки второй опоки (на чертеже не показана).

Таким образом, заявляемая опока, преимущественно для вакуумной формовки обеспечивает:
дополнительную герметизацию трубчатого контура теплообменника на случай разгерметизации его (внезапное раскрытие скрытых дефектов труб, образование трещин вследствие циклических температурных нагрузок) и исключение попадания охлаждающей жидкости в область нагретого огнеупорного наполнителя и жидкого расплава, залитого в форму, и последующего взрыва, а также передачу тепла охлаждающейся отливки посредством огнеупорного наполнителя и герметичного кожуха к теплопроводному материалу полости и далее к трубчатого контуру и охлаждающей жидкости, циркулирующей в нем, и, таким образом, позволяет повысить безопасность, расширить, например, область применения вакуумной формовки, так как при этом сокращается время охлаждения отливок в формах и цикл их изготовления, уменьшается количество опок, задействованных одновременно на операциях охлаждения, и соответственно уменьшаются габариты формовочных линий, обеспечивается возможность управления процессом направленности охлаждения отливок в форме снизу-вверх за счет, например, охлаждения нижних полуформ, а затем верхних, что повышает плотность тел отливок, охлаждение огнеупорного наполнителя в залитой металлом форме обеспечивает снижение энергозатрат, сокращение времени на операциях его охлаждения перед формовкой и сокращение количества охлаждающих установок и производственных площадей, обеспечивает возможность утилизировать тепло залитой металлом формы, передавая его от теплообменников в цеховые, заводские и другие тепломагистрали, и сокращение затрат в литейном производстве, что снижает затраты на производство отливок и повышает производительность;
упрощение конструкции трубчатого контура, выполненного в виде блока, например, в форме трубы, монтажа на опоке и демонтажа, уменьшается количество обводных труб на внешних поверхностях опоки, снижение затрат на его изготовление, монтаж, обслуживание в работе, повышение жесткости конструкции теплообменника и его надежность, что позволяет повысить безопасность при его эксплуатации, расширить, например, область применения вакуумной формовки и, таким образом, повысить уровень механизации на операциях формовки, что повышает производительность;
простоту конструкции теплообменника, технологичность заполнения его полости теплопроводным материалом, эффективную работу и, следовательно, дешевизну изготовления, повышение производительности, а в случае разгерметизации трубчатого контура охлаждающая жидкость автоматически (безопасно) отводится по трубопроводу в специальную емкость, соединенную с атмосферой, что повышает безопасность;
компактную, простую и надежную конструкцию сопряжения теплообменников и патрубков с вентиляционными каналами, соединенными с вакуумной полостью, и позволяет сохранить эффективную систему вакуумирования опоки и отбора тепла от огнеупорного наполнителя, позволяет применить теплообменник в виде блока, например, в форме трубы, так как обеспечивает возможность его монтажа на опоке, перед монтажом объемных патрубков с вентиляционными отверстиями, соединенных с вакуумной системой, что снижает затраты на изготовление опоки и повышает производительность, позволяет осуществлять профилактический контроль герметичности теплообменников и их замену при необходимости, что повышает безопасность.

Заявляемая опока, например, без вакуумной полости может быть использована и для формовки обычной, а теплообменник может быть применен, например, и для охлаждения горячего песка, формовочных смесей в бункерных системах литейного производства, а также и в других отраслях промышленности как система с повышенной безопасностью.

Источники.

1. "Справочник по литейному оборудованию", В.Я.Сафронов, Машиностроение, 1985 г. стр. 299, 7-й абзац сверху "Охлаждение кокиля"; стр.131,132 - "Установки термостатирования"
2. Заявка СССР N 4802804 (10531), В 22 С 9/02, от 22.01.90 г. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6

Опока, преимущественно для вакуумной формовки относится к литейному производству, в частности к опокам, преимущественно для вакуумной формовки в условиях индивидуального, мелкосерийного, серийного и крупносерийного производства. Цель - повышение безопасности и производительности. Опока содержит корпус, выполненный с вакуумной полостью и соединенными с ней вентиляционными отверстиями, установленные на стенках корпуса теплообменники в виде трубчатых контуров с циркулирующей в них охлаждающей жидкостью, которые оснащены трубопроводами подвода и отвода охлаждающей жидкости. Новым в опоке является то, что трубчатый контур теплообменника снабжен охватывающим его наружную поверхность герметичным кожухом с зазором, образующим полость, которая заполнена теплопроводным материалом, при этом, трубчатый контур выполнен в виде блока, например, в форме трубы, контур подвода жидкости к теплообменнику размещен у основания блока, а параллельный ему контур отвода жидкости от теплообменника размещен в верхней части блока, между собой оба контура соединены рядом охлаждающих труб, а полость теплообменника соединена с атмосферой посредством трубопровода и заполнена, например, алюминиевым порошком, при этом, в теплообменнике выполнены проемы, расположенные в системе координат, в которых размещены отъемные патрубки, соединенные с вакуумной полостью опоки и снабженные вентиляционными отверстиями. Опока, преимущественно для вакуумной формовки обеспечивает повышение безопасности, снижение энергозатрат, сокращение времени на операциях охлаждения огнеупорного наполнителя опок перед формовкой и сокращение количества охлаждающих установок и производственных площадей, а также времени охлаждения форм с отливками, возможность утилизации тепла залитой металлом формы, передавая его от теплообменников в цеховые и другие тепломагистрали, возможность управления процессом направленного охлаждения отливки снизу-вверх и повышения таким образом плотности отливок и герметичности, простоту, жесткость конструкции теплообменника, и надежность в работе, что расширяет область применения опоки и теплообменника, возможности механизации операций формовки и повышает производительность. Теплообменник может быть применен в других отраслях промышленности как система с повышенной безопасностью. 8 ил.

1. Опока преимущественно для вакуумной формовки, содержащая корпус, выполненный с вакуумной полостью и соединенными с ней вентиляционными отверстиями, отличающаяся тем, что, с целью повышения безопасности и производительности, она снабжена теплообменниками, установленными на стенках корпуса и выполненными в виде блока труб с циркулирующей в них охлаждающей жидкостью и герметичного кожуха, расположенного с зазором относительно труб и образующего полость, заполненную теплопроводным материалом, блок труб представляет собой параллельно расположенные трубопроводы подвода и отвода охлаждающей жидкости, соединенные между собой рядом охлаждающих труб, причем трубопровод подвода жидкости расположен у основания блока, а трубопровод отвода в верхней его части. 2. Опока по п. 1, отличающаяся тем, что полость теплообменника соединена c атмосферой посредством трубопровода и заполнена алюминиевым порошком. 3. Опока по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она выполнена с отъемными патрубками, имеющими вентиляционные отверстия и соединенными с вакуумной полостью, а в теплообменнике выполнены проемы, причем отъемные патрубки размещены в упомянутых проемах.