Вакуумная установка для литья отливок лопаток с направленной и монокристаллической структурой Российский патент 2024 года по МПК B22D27/04 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой, например, для получения литых заготовок лопаток из жаропрочных никелевых сплавов газотурбинных авиационных двигателей, энергетических и газоперекачивающих установок, в условиях серийного и опытного производства.

Известно устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, содержащее вакуумную камеру с торцевыми откатными крышками, загрузочную шлюзовую камеру, направляющие, смонтированные в вакуумной и шлюзовой камерах с размещенными на них каретками с подвесками для закрепления литейных форм, имеющими механизмы горизонтального и вертикального перемещения литейных форм, расположенные в вакуумной камере печь подогрева литейных форм, содержащую кожух, поворотную торцевую стенку, нагреватели верхней и нижней зон, теплозащитные стенки, плавильно-заливочную печь для расплавления металла, емкость для жидкометаллического охладителя с подъемным механизмом, жесткий теплоизоляционный экран, при этом печь подогрева форм дополнительно содержит отражающий экран, расположенный между кожухом и теплозащитными стенками, выполненными в виде уложенных друг на друга плоских пластин, нагреватель нижней зоны печи подогрева форм дополнительно снабжен перемычкой П-образной формы, средняя часть которой установлена перпендикулярно боковым сторонам нагревателя нижней зоны, поворотная торцевая стенка выполнена с возможностью одновременного закрытия нагревателей верхней и нижней зон, подъемный механизм жидкометаллического охладителя состоит из штока с установленным на нем охлаждаемым подъемным столом с поддоном для емкости с жидкометаллическим охладителем, который имеет возможность перемещаться в вертикальном направлении, устройство дополнительно содержит теплоизоляторы, расположенные между верхней поверхностью емкости с жидкометаллическим охладителем и жестким теплоизоляционным экраном, который в свою очередь закреплен на нижней поверхности печи подогрева форм, а на подвесках для закрепления литейных форм дополнительно установлен подвижный тепловой экран (RU 2267380 С1, B22D 27/04, опубл. 10.01.2006).

Недостатком данного устройства является малая протяженность рабочего пространства печи подогрева форм (ППФ) для размещения керамических форм, что ограничивает производительность установки.

Известно устройство включающее нагревательную камеру, внутри которой расположена форма для повышения температуры формы до высокой температуры выше температуры плавления отливаемого материала, емкость для ванны с жидкостью под нагревательной камерой, в которую погружена или погружена форма, устройство для заполнения формы и устройство для перемещения формы относительно камеры и контейнера для постепенного погружения заполненной формы в охлаждающую жидкость и одновременного извлечения ее из нагревательной камеры. Процесс осуществляется путем нагрева формы перед заполнением до температуры выше температуры плавления разливаемого материала, заливки расплавленного материала в форму, а затем постепенного извлечения формы из зоны нагрева и одновременного постепенного погружения ее в ванну для охлаждения жидкости, тем самым создавая крутой температурный градиент в материале в форме и вызывая вертикальное затвердевание материала в форме от основания формы до верха с контролируемой скоростью. Модифицированная форма изобретения предусматривает постепенное уменьшение тепла, подаваемого в форму снизу вверх, и постепенное заполнение контейнера жидким теплоносителем. В любой форме изобретения заполненная форма постепенно окружается охлаждающей жидкостью снизу вверх формы, и в то же время тепло, подаваемое в форму, постепенно уменьшается снизу вверх за счет извлечения формы или поэтапного уменьшения подводимого тепла к форме, поскольку уровень охлаждающей ванны эффективно перемещается вверх вокруг формы (US 3763926 B1, B22D 27/04, опубл. 15.09.1971).

Недостатком данного устройства является наличие большого количества элементов охлаждения ванны, что снижает надежность оборудования и приводит к разгерметизации системы охлаждения и нарушению технологического процесса.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является вакуумная индукционная плавильно-заливочная установка для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, содержащая камеру плавильную со сферической крышкой, плавильным тиглем, кристаллизатором, вакуумной системой, печью подогрева форм (ППФ) и установленными сверху на плавильной камере загрузочным устройством для подачи шихты в плавильный тигель, механизмом вертикального перемещения форм, вакуумным затвором и механизмом открывания и закрывания двери ППФ, а также расположенными внутри плавильной камеры на кронштейнах направляющими реечного механизма для перемещения форм в горизонтальной плоскости, шлюзовую камеру, размещенную на тележке и имеющую переходной патрубок, установленный со стороны плавильной камеры, и крышку с другой стороны, механизм перемещения форм, шиберный вакуумный затвор, при этом камера плавильная, шлюзовая камера и сферическая крышка герметично скреплены друг с другом по стыковым полостям разъемными соединениями, блок откатной, установленный на тележке и состоящий из конденсаторной батареи, тиристорного преобразователя частоты тока, пульта измерительного и токоподводов с тремя трансформаторами, причем камера плавильная установлена между шлюзовой камерой, имеющей прямоугольную форму, и

откатным блоком, на тележке которого закреплена сферическая крышка с установленными внутри нее плавильным тиглем, ППФ и кристаллизатором, при этом она снабжена охлаждаемым медным подъемным столом, представляющим собой конструкцию в виде медного экрана с герметичными полостями для протока хладоносителя, закрепленным через уплотнение на охлаждаемом штоке механизма перемещения стола с управляемым приводом (RU 2663025 C1, B22D 27/04, опубл. 01.08.2018 г.).

Недостатками прототипа являются наличие зазора между ванной кристаллизатора и ППФ ввиду установки ванны кристаллизатора на тележке, не имеющей возможности вертикального перемещения для устранения зазора между ППФ и кристаллизатором, отсутствие контакта между медным столом, выполненным в форме экрана и кристаллизатором, что обеспечивает только радиационную теплопередачу и снижает эффективность теплосъема с кристаллизатора.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание вакуумной установки для литья отливок лопаток с направленной и монокристаллической структурой с учетом современных разработок в области электронной промышленности.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение полунепрерывного цикла работы установки для изготовления отливок, путем обеспечения плотного контакта стола с дном ванны жидкометаллического кристаллизатора, что исключает перегрев жидкометаллического охладителя и обеспечивает получение отливок с направленной и монокристаллической структурой с размером до 300 мм.

Заявленный технический результат достигается в заявленной вакуумной установке для литья отливок лопаток с направленной и монокристаллической структурой, содержащей вакуумную систему, тиристорный преобразователь частоты тока, блок откатной, состоящий из конденсаторной батареи, пульта измерительного и токоподводов с тремя трансформаторами, систему водяного охлаждения для охлаждения элементов конструкции и комплектующих агрегатов, шлюзовую камеру, в которой размещен привод горизонтального перемещения для перемещения каретки с блоком форм по закрепленным на кронштейнах направляющим рельсам в плавильную камеру из шлюзовой камеры и обратно для загрузки и выгрузки форм, причем шлюзовая камера соединена с плавильной камерой через вакуумный затвор, при этом плавильная камера содержит плавильный тигель, печь подогрева форм, жидкометаллический кристаллизатор и подъемный охлаждаемый медный стол с внутренними охлаждаемыми полостями, кроме того, плавильная камера и шлюзовая камера герметично скреплены друг с другом по стыковым полостям разъемными соединениями, причем на плавильной камере расположены термопарный ввод, механизм вертикального перемещения форм, загрузочное устройство для подачи шихты в плавильный тигель, причем дополнительно содержит механизм вертикального перемещения охлаждаемого подъемного стола с датчиком позиционирования стола относительно жидкометаллического кристаллизатора, обеспечивающего плотный контакт со столом, при этом площадь контакта охлаждаемого подъемного медного стола с жидкометаллическим кристаллизатором составляет не менее 0,75 площади поверхности дна жидкометаллического кристаллизатора.

На фиг. 1 приведен общий вид установки, на фиг. 2 приведен вид установки внутри плавильной и шлюзовой камер, на фиг. 3 приведен вид внутри плавильной камеры, на фиг. 4 приведен механизм перемещения охлаждаемого стола, где:

1 Плавильная камера;

2 Шлюзовая камера;

3 Плавильный тигель;

4 Печь подогрева форм (ППФ);

5 Загрузочное устройство;

6 Механизм вертикального перемещения форм;

7 Вакуумная система;

8 направляющие рельсы;

9 Жидкометаллический кристаллизатор;

10 Привод горизонтального перемещения;

11 Термопарный ввод;

12 Система водяного охлаждения;

13 Вакуумный затвор;

14 Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ);

15 Механизм перемещения охлаждаемого стола;

16 Подъемный охлаждаемый стол;

17 Датчик позиционирования стола;

18 Мотор-редуктор;

19 Штуцеры;

20 Шток;

21 Поворотный флажок;

22 Бесконтактный концевой выключатель.

Вакуумная установка для литья отливок лопаток с направленной и монокристаллической структурой (Фиг. 1), включает плавильную камеру 1, в которой размещаются печь с плавильным тигелем 3, печь подогрева форм 4, жидкометаллический кристаллизатор 9 и подъемный охлаждаемый стол 16 с внутренними охлаждаемыми полостями, шлюзовую камеру 2, предназначенную для загрузки в нее блока форм для перемещения его в плавильную камеру по направляющим рельсам 8 под заливку расплавом и обратной выгрузки залитого блока, без нарушения вакуума в плавильной камере, вакуумную систему 7 для создания рабочей среды-вакуума в плавильной камере 1, шлюзовой камере 2 и загрузочном устройстве 5, привод горизонтального перемещения 10 для перемещения блока форм по направляющим рельсам 8 в плавильную камеру из шлюзовой камеры и обратно для загрузки и выгрузки керамических форм. В механизме вертикального перемещения подъемного охлаждаемого стола 15 относительно жидкометаллического кристаллизатора 9 установлен датчик позиционирования стола 17, который останавливает движение стола при плотном контакте с дном жидкометаллического кристаллизатора 9, систему водяного охлаждения 12 для охлаждения элементов конструкции и комплектующих агрегатов, работающих при высокой температуре, тиристорный преобразователь частоты 14, обеспечивающий преобразование электрического тока промышленной частоты в переменный ток заданной частоты, питающий индукционную печь с плавильным тигелем 3, механизм перемещения охлаждаемого стола 15 (фиг. 3) устраняет зазор между печью подогрева форм 4 и жидкометаллическим кристаллизатором 9 при работе в ручном режиме, и осуществляет теплосъем от ванны жидкометаллического кристаллизатора при достижении заданного значения температуры на управляющей термопаре при автоматическом режиме. Обеспечение поддержания температуры кристаллизатора осуществляется, в том числе, за счет контакта с подъемным охлаждаемым столом 16, что обеспечивается датчиком позиционирования стола 17, который останавливает движение стола при плотном контакте с дном ванны жидкометаллического кристаллизатора 9. Усилие прижатия охлаждаемого стола ко дну ванны жидкометаллического кристаллизатора 9 регулируется расположением бесконтактного концевого выключателя 22.

Шлюзовая камера соединена с плавильной камерой через вакуумный затвор 13. В шлюзовой камере 2 находится подставка для установки форм, также размещены направляющие рельсы для перемещения каретки с блоком форм из шлюзовой камеры в плавильную камеру и обратно. На плавильной камере расположены термопарный ввод 11 и загрузочное устройство 5.

Подъемный охлаждаемый стол 16 изготовлен из теплопроводного материала (например, из медного сплава) и имеет внутренние охлаждаемые полости. Площадь контакта подъемного охлаждаемого стола 16 с жидкометаллическим кристаллизатором 9 составляет не менее 0.75 площади поверхности дна ванны кристаллизатора 9, а в механизме вертикального перемещения стола 15 имеется датчик позиционирования стола 17 относительно кристаллизатора 9, который останавливает движение стола при плотном контакте с дном ванны.

Заявленная вакуумная установка для литья отливок, в том числе лопаток с направленной и монокристаллической структурой (фиг. 1, 2, 3, 4) работает следующим образом: в плавильной камере 1, шлюзовой камере 2, загрузочном устройстве 5 создается разряжение с помощью вакуумной системы 7. Перед вакуумированием устанавливается блок форм на каретки подвески, также заполняется плавильный тигель 3 шихтой. После достижения необходимого вакуума, производится расплавление шихты и заполнение расплавом форм. Далее с помощью механизма вертикального перемещения форм 6, с заданной скоростью производится опускание в жидкометаллический кристаллизатор 9 блока форм, заполненных расплавом, что способствует управляемой кристаллизации металла в формах.

Плавильная камера 1 предназначена для размещения в ней плавильного тигля 3, печи подогрева форм 4, жидкометаллического кристаллизатора 9 и подъемного охлаждаемого стола с внутренними охлаждаемыми полостями.

Шлюзовая камера 2 предназначена для загрузки в нее блока форм, перемещения его в плавильную камеру по направляющим рельсам под заливку металлом и обратной выгрузки залитого блока, без нарушения вакуума в плавильной камере.

Плавильный тигель 3 предназначен для расплавления мерной шихтовой заготовки и образования расплава для последующей заливки форм.

Печь подогрева форм 4 предназначена для нагрева керамических форм до заданной температуры, перед заливкой в него расплава.

Загрузочное устройство 5 предназначено для загрузки в плавильный тигель 3 шихтовой заготовки.

Механизм вертикального перемещения форм 6 предназначен для перемещения залитого блока форм из печи подогрева форм 4 в жидкометаллический кристаллизатор 9 с заданной скоростью.

Вакуумная система 7 предназначена для создания рабочей среды-вакуума в плавильной камере 1, шлюзовой камере 2 и загрузочном устройстве 5.

Блок откатной состоит из конденсаторной батареи, пульта измерительного и токоподводов с тремя трансформаторами.

Жидкометаллический кристаллизатор 9 предназначен для обеспечения конвективного охлаждения кристаллизующейся отливки в процессе направленной кристаллизации. В качестве охладителя в кристаллизаторе находится алюминий или олово.

Привод горизонтального перемещения 10 предназначен для перемещения каретки с блоком форм по направляющим рельсам 8 в плавильную камеру 1 из шлюзовой камеры 2 и обратно для загрузки и выгрузки керамических форм.

Термопарный ввод 11 предназначен для соединения проводов термопар внутри установки с системой управления.

Система водяного охлаждения 12 предназначена для охлаждения элементов конструкции и комплектующих агрегатов, работающих при высокой температуре.

Затвор вакуумный 13 предназначен для обеспечения герметичности плавильной камеры 1 при открытии шлюзовой камеры 2.

Тиристорный преобразователь частоты 14 предназначен для преобразования электрического тока промышленной частоты в переменный ток заданной частоты питающий индукционную печь с плавильным тиглем 3.

Механизм перемещения охлаждаемого стола 15 предназначен для устранения зазора между ППФ 4 и жидкометаллическим кристаллизатором 9 при работе в ручном режиме и осуществления теплосъема от ванны жидкометаллического кристаллизатора 9 при достижении заданного значения температуры на управляющей термопаре при автоматическом режиме. Обеспечение качественного теплосъема с кристаллизатора осуществляется, в том числе, за счет контакта с охлаждаемым столом, что обеспечивается концевым выключателем, который останавливает движение стола при плотном контакте с дном жидкометаллического кристаллизатора.

В механизме перемещения охлаждаемого стола 15 установлен датчик позиционирования стола 17 относительно кристаллизатора (см. фиг. 4), что исключает неплотное прилегание стола к кристаллизатору и повышает теплообмен между ними за счет теплопроводности между кристаллизатором и столом, позволяет повысить управляемость процессом поддержания температуры металла в кристаллизаторе и значительно увеличивает ресурс работы кристаллизатора.

Механизм перемещения охлаждаемого стола 15 изображенный на фиг. 3, устраняет зазор между печью подогрева форм и жидкометаллическим кристаллизатором при работе в ручном режиме путем подъема ванны кристаллизатора до контакта с ППФ. В этом режиме работы сигнал от датчика позиционирования 17 игнорируется системой. После устранения зазора производится регулировка регулировочных винтов тележки ванны кристаллизатора для фиксации ее в этом положении, после чего подъемный охлаждаемый стол 16 возвращается в исходное положение.

При работе в автоматическом режиме на дисплее системы управления задается значение температуры на управляющей термопаре ванны кристаллизатора, при достижении которой осуществляется подача сигнала от системы управления на мотор-редуктор 18 для осуществления подъема охлаждаемого стола. Подъемный охлаждаемый стол 16 имеет форму параллелепипеда с внутренней водоохлаждаемой полостью, подвод и отвод охлаждающей жидкости в которую осуществляется через штуцера 19. Сквозь подъемный охлаждаемый стол проходит датчик позиционирования стола 17 и выступает выше плоскости стола на 10-15 мм. При подъеме охлаждаемого стола к ванне кристаллизатора происходит нажатие дном ванны на датчик позиционирования 17, который, в свою очередь, вращает шток 20 с прикрепленным в нижней части поворотным флажком 21. При контакте стола с ванной поворотный флажок 21 доходит до бесконтактного концевого выключателя 22, который срабатывает и останавливает движение стола. Усилие прижатия стола к ванне кристаллизатора регулируется положением бесконтактного концевого выключателя 22 относительно вращения поворотного флажка. При снижении температуры в ванне кристаллизатора ниже заданного значения температуры на управляющей термопаре ванны кристаллизатора система управления дает сигнал на мотор-редуктор 18 для отвода подъемного охлаждаемого стола 16 от ванны кристаллизатора в исходное положение.

Обеспечение качественного теплосъема с жидкометаллического кристаллизатора осуществляется методом теплопроводности, в том числе, за счет контакта с охлаждаемым столом, что обеспечивается датчиком позиционирования, который останавливает движение стола при плотном контакте с дном жидкометаллического кристаллизатора. Усилие прижатия охлаждаемого стола к ванне жидкометаллического кристаллизатора регулируется бесконтактным концевым выключателем.

Изобретение относится к области металлургии. Вакуумная установка для литья отливок лопаток с направленной и монокристаллической структурой содержит плавильную и шлюзовую камеры, герметично скрепленные через вакуумный затвор разъемными соединениями. В плавильной камере размещены плавильный тигель, печь подогрева форм, жидкометаллический кристаллизатор, контактирующий с размещенным в плавильной камере охлаждаемым медным столом (16) с внутренними охлаждаемыми полостями. Механизм вертикального перемещения форм размещен на плавильной камере. На кронштейнах закреплены направляющие рельсы для перемещения каретки с блоком форм из шлюзовой камеры в плавильную камеру и обратно. Механизм вертикального перемещения охлаждаемого подъемного стола с датчиком (17) позиционирования упомянутого стола относительно жидкометаллического кристаллизатора, выполненным выступающим выше плоскости подъемного охлаждаемого стола (16), обеспечивает контакт охлаждаемого подъемного стола с кристаллизатором по площади контакта, составляющей не менее 0,75 площади поверхности дна жидкометаллического кристаллизатора. Обеспечивается получение отливок с направленной и монокристаллической структурой с размером до 300 мм. 4 ил.

Вакуумная установка для литья отливок лопаток с направленной и монокристаллической структурой, содержащая плавильную и шлюзовую камеры, герметично скрепленные друг с другом через вакуумный затвор по стыковым полостям разъемными соединениями, снабженные системой водяного охлаждения элементов конструкции и комплектующих агрегатов и вакуумной системой,

размещенные в плавильной камере плавильный тигель, печь подогрева форм, жидкометаллический кристаллизатор, выполненный с возможностью контактирования с размещенным в плавильной камере охлаждаемым медным столом с внутренними охлаждаемыми полостями,

тиристорный преобразователь частоты тока, питающий печь подогрева форм и плавильный тигель,

термопарный ввод, механизм вертикального перемещения форм и загрузочное устройство для подачи шихты в плавильный тигель, расположенные на плавильной камере,

направляющие рельсы, закрепленные на кронштейнах, обеспечивающие перемещение по ним каретки с блоком форм в горизонтальном направлении из шлюзовой камеры в плавильную камеру и обратно, причем привод горизонтального перемещения каретки размещен в шлюзовой камере,

отличающаяся тем, что она содержит механизм вертикального перемещения охлаждаемого подъемного стола с датчиком позиционирования упомянутого стола относительно жидкометаллического кристаллизатора, выполненным выступающим выше плоскости подъемного охлаждаемого стола, обеспечивающий контакт охлаждаемого подъемного стола с жидкометаллическим кристаллизатором по площади контакта, составляющей не менее 0,75 площади поверхности дна жидкометаллического кристаллизатора.