УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИТЬЯ В ВАКУУМЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК B22D27/00 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления отливок с равноосной структурой из жаропрочных сплавов точным литьем по выплавляемым моделям в вакууме, например турбинных лопаток газотурбинных двигателей и установок.

Известна установка для литья в вакууме для получения отливок с равноосной структурой, включающая вакуумную плавильную камеру, в которой расположены поворотная плавильная индукционная печь и индукционная печь нагрева литейной формы, снабженная нагревателем из графита или тугоплавкого металла, например, Та, Мо (Патент США №3861449, В22D 27/04) - аналог.

В известной установке производится расплавление металла в тигле, а литейная форма нагревается до температуры порядка 1200÷1250°С. Производится заливка формы расплавом с последующим затвердеванием и охлаждением отливки, после чего плавильная камера развакуумируется и форма с отливкой удаляется из печи нагрева формы.

Данная установка не позволяет обеспечить высокую производительность процесса, так как плавильная камера не может быть развакуумирована до тех пор, пока нагреватель печи нагрева формы не охладится ниже 400°С, чтобы предотвратить окисление нагревателя и его преждевременный выход из строя.

Известна установка для литья в вакууме, а именно плавильная установка УППФ-4, описанная в работе М.П.Кулешова, В.П.Калинина, Е.В.Глотова, Е.К.Каблова «Специализированное оборудование для литья по выплавляемым моделям жаропрочных сплавов и сталей» (Литейное производство, 1993 г., №4, стр.30) - прототип.

Установка содержит вакуумную плавильную камеру с поворотной индукционной плавильной печью, загрузочную камеру с механизмом загрузки шихты в плавильный тигель, шлюзовой вакуумный затвор, индукционную печь нагрева формы с нагревателем, выполненные с возможностью перемещения крышки для вакуумирования печи нагрева формы с загруженной в нее формой, механизм поворота печи нагрева формы для подачи ее в плавильную камеру под заливку.

Недостатком данной установки является ее низкая эффективность, связанная, в том числе, с длительностью процесса подготовки как литейной формы, так и всей установки для проведения плавки.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, по первому варианту является повышение работоспособности и эффективности устройства для литья в вакууме при одновременном сокращении времени подготовки устройства к плавке.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для литья в вакууме, содержащем плавильную камеру, плавильный тигель с индуктором, индукционную печь нагрева формы с нагревательным элементом и крышки, выполненные с возможностью перемещения, плавильный тигель выполнен с донным сливом и снабжен стопором, соединенным с механизмом его перемещения, устройство дополнительно снабжено механизмами перемещения формы и загрузки-выгрузки тигля, причем плавильный тигель с индуктором, индукционная печь нагрева формы с нагревательным элементом и механизмы перемещения стопора и формы закреплены на одной из крышек с образованием плавильно-заливочного блока.

В устройстве количество крышек, выполненных с возможностью перекрытия торца плавильной камеры, противоположного торцу, перекрытому плавильно-заливочным блоком, может быть не менее количества плавильно-заливочных блоков. Один из торцов плавильной камеры может быть выполнен глухим и не иметь отверстия, которое закрывается крышкой.

В устройстве механизм загрузки-выгрузки тигля может быть расположен вне плавильной камеры или закреплен на плавильно-заливочном блоке.

В устройстве индукционная печь нагрева формы может быть расположена под плавильным тиглем.

Для оптимизации работы устройства путем применения окалиностойкого нагревательного элемента при обеспечении высокой механической прочности и надежности работы и дополнительном повышении эффективности работы устройства в устройстве нагревательный элемент индукционной печи нагрева формы может быть выполнен из жаропрочного материала, например из никелевых сплавов или сплавов на основе никеля или ниобия.

Например, индукционная печь нагрева формы может быть выполнена с нагревателем из жаропрочного сплава (сплав ЭИ 435, ЭИ 868, интерметаллидный сплав ВКНА-4Л на никелевой основе типа Ni₃Al и т.д.).

Известна установка для получения отливок с равноосной структурой, включающая вакуумную плавильную камеру, выполненную с возможностью перемещения, в которой расположена индукционная плавильная печь, неподвижно установленные вакуумные заливочные камеры, в каждой из которых расположена индукционная печь нагрева литейной формы, снабженная нагревателем из тугоплавкого металла, например Та, Мо.

Плавильная камера выполнена с возможностью перемещения относительно неподвижно установленных заливочных камер. Между собой вакуумные камеры (плавильная и заливочная) соединяются посредством вакуумных шлюзовых затворов.

Предварительно нагретая форма в пределах 400÷800°С помещается в индукционную печь нагрева формы заливочной камеры, шихтовая заготовка помещается в тигель плавильной индукционной печи плавильной камеры, камеры закрываются и вакуумируются.

Производится расплавление металла в тигле, а литейная форма нагревается до температуры порядка 1200÷1250°С. Производится стыковка плавильной и заливочной камеры, через вакуумные шлюзовые затворы тигель с расплавом перемещается в заливочную камеру, где производится заливка формы расплавом. После заливки формы тигель перемещается обратно в плавильную камеру, вакуумные шлюзовые затворы закрываются. Плавильная камера загружается шихтой для заливки следующей формы, а заливочная камера остается вакуумированной и в ней происходит затвердевание отливки и охлаждение нагревателя и формы с отливкой. После охлаждения нагревателя и формы с отливкой заливочная камера развакуумируется и форма удаляется из печи нагрева формы, а в печь загружается форма для следующей заливки. (Патент США №5931214, B22D 27/04, опубл. 03.08.199 г.) - аналог.

Известна установка для литья в вакууме для получения отливок с равноосной структурой, включающая вакуумную плавильную камеру, в которой расположены поворотная плавильная индукционная печь и индукционная печь нагрева литейной формы, снабженная нагревателем из графита или тугоплавкого металла, например Та, Мо (Патент США №3861449, В22D 27/04) - аналог.

В известной установке производится расплавление металла в тигле, а литейная форма нагревается до температуры порядка 1200÷1250°С. Производится заливка формы расплавом с последующим затвердеванием и охлаждением отливки, после чего плавильная камера развакуумируется и форма с отливкой удаляется из печи нагрева формы.

Данные установки не позволяют обеспечить высокую производительность процесса и эффективность работы установок, так как плавильная и заливочная камеры каждой из них не могут быть развакуумированы до тех пор, пока нагреватель печи нагрева формы не охладится ниже 400°С, в том числе, чтобы предотвратить окисление нагревателя и его преждевременный выход из строя.

Известна установка для литья в вакууме, а именно плавильная установка УППФ-4, описанная в работе М.П.Кулешова, В.П.Калинина, Е.В.Глотова, Е.К.Каблова «Специализированное оборудование для литья по выплавляемым моделям жаропрочных сплавов и сталей» (Литейное производство, 1993 г., №4, стр.30) - прототип.

Установка содержит вакуумную плавильную камеру с поворотной индукционной плавильной печью, загрузочную камеру с механизмом загрузки шихты в плавильный тигель, шлюзовой вакуумный затвор, индукционную печь нагрева формы с нагревателем, выполненные с возможностью перемещения крышки для вакуумирования печи нагрева формы с загруженной в нее формой, механизм поворота печи нагрева формы для подачи ее в плавильную камеру под заливку.

Недостатком данной установки является ее низкая эффективность, связанная, в том числе, с длительностью процесса подготовки как литейной формы, так и всей установки для проведения плавки.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, по второму варианту является повышение работоспособности и эффективности устройства для литья в вакууме при одновременном сокращении времени подготовки устройства к плавке.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для литья в вакууме, содержащем плавильную камеру, плавильный тигель с индуктором, индукционную печь нагрева формы с нагревательным элементом и крышки, плавильный тигель выполнен с донным сливом и снабжен стопором, соединенным с механизмом его перемещения, устройство дополнительно снабжено механизмами перемещения формы и загрузки-выгрузки тигля, причем плавильный тигель с индуктором, индукционная печь нагрева формы с нагревательным элементом и механизмы перемещения стопора и формы закреплены на одной из крышек с образованием плавильно-заливочного блока, выполненного с возможностью перекрытия его плавильной камерой, имеющей возможность перемещения относительно, по меньшей мере, одного неподвижно установленного плавильно-заливочного блока.

В устройстве механизм загрузки-выгрузки тигля может быть расположен вне плавильной камеры или закреплен на плавильно-заливочном блоке.

В устройстве индукционная печь нагрева формы может быть расположена под плавильным тиглем.

Для оптимизации работы устройства путем применения окалиностойкого нагревательного элемента, при обеспечении высокой механической прочности и надежности работы и дополнительном повышении эффективности работы устройства в устройстве нагревательный элемент индукционной печи нагрева формы может быть выполнен из жаропрочного материала, например из никелевых сплавов или сплавов на основе никеля или ниобия.

Например, индукционная печь нагрева формы может быть выполнена с нагревателем из жаропрочного сплава (сплав ЭИ 435, ЭИ 868, интерметаллидный сплав ВКНА-4Л на никелевой основе типа Ni₃Al и т.д.).

Изобретения по первому и второму вариантам представлены на фиг.1-4.

На фиг.1 представлено устройство с неподвижной плавильной камерой, одной крышкой и одним плавильно-заливочным блоком, выполненными с возможностью перемещения.

На фиг.2 представлено устройство с неподвижной плавильной камерой, двумя крышками и двумя плавильно-заливочными блоками, выполненными с возможностью перемещения.

На фиг.3 и 4 представлено устройство с одной выполненной с возможностью перемещения плавильной камерой и тремя неподвижными плавильно-заливочными блоками.

Устройство по обоим вариантам содержит плавильную камеру 1, плавильный индуктор 2, плавильный тигель с донным сливом 3, установленный в охранный стакан 4, снабженный стопором 5, который соединен с механизмом перемещения 6 стопора 5, индукционную печь нагрева формы 7 с нагревательным элементом 13 и загрузочным столом 9. Устройство содержит также крышки 12, механизмы перемещения формы 8 и загрузки-выгрузки 10 тигля 3. По первому варианту крышки выполнены с возможностью перемещения и перекрытия противоположных торцов плавильной камеры 1 при неподвижной плавильной камере 1.

По второму варианту плавильно-заливочные блоки 11 установлены стационарно (неподвижно), а плавильная камера 1 или плавильные камеры выполнены с возможностью перемещения относительно плавильно-заливочных блоков 11. Плавильный тигель 3 и индукционная печь нагрева формы 7 с нагревательным элементом 13 и кронштейнами их крепления 14 и 15, а также конденсаторная батарея 16, механизмы перемещения формы 8 и стопора 6, закреплены на одной из крышек с образованием плавильно-заливочного блока 11. Причем количество крышек 12 может быть различным, например их количество не менее чем количество плавильных камер, однако их может быть меньше в случае, если плавильная камера выполнена с глухим торцом и не имеет съемных крышек. Индукционная печь нагрева формы 7 может быть расположена, например, под плавильным тиглем 3, как показано на чертежах к заявляемому решению.

Устройство по первому варианту работает следующим образом (фиг.1, 2).

В плавильный тигель с донным сливом 3 загружается мерная шихтовая заготовка, устанавливается стопор 5, и плавильный тигель 3 механизмом загрузки-выгрузки 10 устанавливается в охранный стакан 4 плавильного индуктора 2. В тигель устанавливается, например, термопара (на чертежах не показана) и стопор 5 соединяется с механизмом перемещения стопора 6. На загрузочный стол 9 индукционной печи нагрева формы 7 устанавливается форма, например керамическая, которая механизмом перемещения формы 8 подается в печь нагрева формы 7. Плавильно-заливочный блок 11 стыкуется с плавильной камерой 1, после чего плавильная камера герметизируется и вакуумируется. Включаются индукторы печи нагрева формы 7 и плавильной печи 2, производится нагрев формы, расплавление шихты и заливка формы расплавом. После заливки формы расплавом производится напуск воздуха в плавильную камеру 1 и, после затвердевания отливки, расстыковка плавильно-заливочного блока 11 с плавильной камерой 1, выгрузка плавильного тигля 3 из охранного стакана 4 плавильного индуктора 2 и выгрузка залитой формы из индукционной печи нагрева формы 7. Установка готова для проведения следующего процесса плавки шихты и заливки формы расплавом.

Устройство может содержать более одного плавильно-заливочного блока 11, при этом противоположный торец плавильной камеры 1 закрывается технологической крышкой 12, выполненной с возможностью перемещения. В этом случае, во время работы первого плавильно-заливочного блока второй (и последующие) выгружаются и один (или несколько из них) снаряжается для начала работы сразу после расстыковки первого плавильно-заливочного блока с плавильной камерой.

Устройство по второму варианту работает следующим образом (фиг.3, 4).

В плавильный тигель с донным сливом 3 загружается мерная шихтовая заготовка, устанавливается стопор 5, и плавильный тигель механизмом загрузки-выгрузки 10 устанавливается в охранный стакан 4 плавильного индуктора 2. В тигель может устанавливаться термопара, и стопор 5 соединяется с вилкой механизма перемещения стопора 6. На загрузочный стол 9 печи нагрева формы устанавливается керамическая форма и механизмом перемещения 8 форма подается в печь нагрева формы 7. Выполненная с возможностью перемещения подвижная плавильная камера 1 стыкуется с плавильно-заливочным блоком 11, они герметизируются и вакуумируются. Включаются индукторы печи нагрева формы 7 и плавильной печи 2, производится нагрев формы, расплавление шихты и заливка формы расплавом. После заливки формы расплавом производится напуск воздуха в плавильную камеру, расстыковка плавильной камеры 1 с плавильно-заливочным блоком 11, перемещение плавильной камеры 1 к следующему плавильно-заливочному блоку, их стыковка и процесс повторяется.

Выгружаются плавильный тигель 3 из охранного стакана 4 плавильного индуктора 2 и залитая форма после затвердевания отливки из печи нагрева формы.

Пример конкретного выполнения

№ п/пТехнические характеристикиАналог: патент США №3861449, B22D 27/04Аналог: патент США №5931214, B22D 27/04Прототип: УППФ-4Заявляемое устройство для литья в вакууме Материал   Жаропрочные сплавы на основе1.нагревательного элемента печи нагрева формыГрафит, Мо, Та.Графит, Мо, Та.Графит, силицированный графитникеля: ЭИ 435, ЭИ 868, ВКНА-4Л, Порошковый никель ПН70Ю302.Рабочая температура печи нагрева формы для изготовления отливок с равноосной структурой, °С1200÷12501200÷12501200÷12501200÷12503.Время охлаждения нагревателя печи нагрева формы до Т=400°С перед разгерметизцией камеры, час4÷58÷108÷10Не требуется

Сравнение технических характеристик представленных литейных установок показывает, что заявляемое устройство для литья в вакууме обладает большей работоспособностью и эффективностью при одновременном сокращении времени подготовки устройства к плавке за счет значительного сокращения времени, затрачиваемого на охлаждение нагревателя печи нагрева формы.

Изобретение может быть использовано для изготовления отливок с равноосной структурой точным литьем по выплавляемым моделям в вакууме. Устройство содержит плавильную камеру с крышками, плавильный тигель с индуктором, механизм загрузки - выгрузки тигля, индукционную печь нагрева формы с нагревательным элементом. Плавильный тигель выполнен с донным сливом и снабжен стопором. Плавильный тигель, механизм перемещения стопора, индукционная печь нагрева формы и механизм перемещения формы закреплены на одной из крышек и образуют плавильно-заливочный блок. По одному из вариантов крышки выполнены с возможностью перемещения относительно неподвижно закрепленной плавильной камеры. По другому варианту плавильная камера выполнена с возможностью перемещения относительно плавильно-заливочного блока. Сокращается время подготовки устройства к плавке и упрощается его конструкция. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Устройство для литья в вакууме, содержащее плавильную камеру, плавильный тигель с индуктором, индукционную печь нагрева формы с нагревательным элементом, отличающееся тем, что оно снабжено крышками, выполненными с возможностью перемещения относительно неподвижно закрепленной плавильной камеры и перекрытия ее торца, механизмом перемещения формы и механизмом загрузки-выгрузки плавильного тигля, выполненного с донным сливом и снабженного стопором, соединенным с механизмом его перемещения, причем плавильный тигель с индуктором, индукционная печь нагрева формы с нагревательным элементом, механизм перемещения формы и механизм перемещения стопора закреплены на одной из крышек с образованием плавильно-заливочного блока.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными плавильно-заливочными блоками, при этом количество крышек составляет не менее количества плавильно-заливочных блоков.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм загрузки-выгрузки тигля расположен вне плавильной камеры или закреплен на плавильно-разливочном блоке.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагревательный элемент индукционной печи нагрева формы выполнен из жаропрочного сплава никеля.5. Устройство для литья в вакууме, содержащее плавильную камеру, плавильный тигель с индуктором, индукционную печь нагрева формы с нагревательным элементом, отличающееся тем, что оно снабжено крышками, выполненными с возможностью перекрытия торца плавильной камеры, механизмом перемещения формы и механизмом загрузки-выгрузки плавильного тигля, выполненного с донным сливом и снабженного стопором, соединенным с механизмом его перемещения, причем плавильный тигель с индуктором, индукционная печь нагрева формы с нагревательным элементом, механизм перемещения формы и механизм перемещения стопора закреплены на одной из крышек с образованием неподвижно установленного плавильно-заливочного блока, а плавильная камера выполнена с возможностью перемещения относительно плавильно-заливочного блока.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными крышками с закрепленными на них плавильно-заливочными блоками, установленными неподвижно.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что механизм загрузки-выгрузки тигля расположен вне плавильной камеры или закреплен на плавильно-разливочном блоке.8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что нагревательный элемент индукционной печи нагрева формы выполнен из жаропрочного сплава никеля.