Печь для изготовления отливок

 

Использование получение чистых металлов . Печь для изготовления отливок и 7 повышение чистоты получаемого металла. Сущность: во время плавления и охлаждения отливок в рабочей камере, выполненной в виде металлической емкости 1 со змеевиком 3 на наружной поверхности для охлаждения , крышкой 2 со штуцером 4 для выпуска газа, систему для поддержания давления газа в рабочей камере, тигель 51. выполненный из тугоплавкого металла, систему нагрева, окруженную металлическим экраном 53, при этом система нагрева выполнена в виде ленты 49 из тугоплавкого металла с навитой на нее с шагом 5-7 мм вольфрамовой проволокой 50 диаметром не более 0,5 мм и охлаждаемыми токоподвода ми, а тигель 51 установлен на ленту 49. 5 ил. vj О .N ю VI Фиг.1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з С 22 С 1!02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР .

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4

С)

Ю

З (21) 4787405 /02 (22) 30.01.90 (46) 23.10.92. Бюл. ¹ 39 (71) Центральное конструкторское бюро

"Автоматика" (72) В,Н. Коломыцев и А,В. Ремизович (56) Лейканд M.Ñ. Вакуумно-компрессионные электрические печи. библиотека электротермиста. Вып, 41. M.: Энергия, 1971, с.

18, рис. 6.

Курдюмов А.B. и др, Литейное производство цветных и редких металлов. M.: Металлургия, 1972, с, 204, рис. 43, (54) ПЕЧЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК (57) Использование: получение чистых металлов. Печь для изготовления отливок и. Ж „, l 770427 A l повышение чистоты получаемого металла.

Сущность: во время плавления и охлаждения отливок s рабочей камере, выполненной в виде металлической емкости 1 со змеевиком 3 на наружной поверхности для охлаждения, крышкой 2 со штуцером 4 для выпуска газа, систему для поддержания давления газа в рабочей камере, тигель 51. выполненный из тугоплавкого металла, систему нагрева, окруженную металлическим . экраном 53, при этом система нагрева выполнена в виде ленты 49 из тугоплавкого металла с навитой на нее с шагом 5-7 мм вольфрамовой проволокой 50 диаметром не более 0,5 мм и охлаждаемыми токоподводэми, а тигель 51 установлен на ленту 49. 5 ил.

50

Изобретение относится к области выплавки особо чистых металлов, используемых в тонкопленочной технологии.

В тонкопленочной технологии под действием ионной бомбардировки происходит ионное распыление металлических пластин высОкай степени чистОты (содержание примесей не превышает 0,01$) и перенос материала этих пластин на изготавливаемые интегральные схемы. При этом удаление материала пластин с ее поверхности происходит не равномерно, а избирательно. Это приводит к тому, что после удаления 20—

4ОЯ, материала пластины более не используются, Переплавление и повторное использование отработанных пластин позволяет снизить их себестоимость.

Известна электропечь для плавки металла ИЗВК-2,5,6/20-2БМО1, в которой откачка из печи производится бустерным паромасляным насосом БН-2000 и двумя зопотникавыми насосами, Но использование указанных насосов приводит к тому, что в рабочую камеру печи, а значит и в расплавленный металл попадут пары масла и отливки не будут пригодны для применения в

ГОНКОПЛЕНОЧНОй ТЕХНОЛОГИИ.

Известна индукционная высокочастотная печь с боковым разливом металла. В этой печи, содержащей рабочую камеру, выполненную в виде металлической емкости са змеевиком на наружной поверхности, крышкой са штуцером для отвода газа, систему поддержания давления газа в рабочей камере, соединенную с отверстием в нижней части камеры, систему нагрева, графитовый тигель и источник электропитания.

Плавка металла в печи ведется в атмосфере сравнительно чистого аргона {99,8,4) при избыточном давлении а 20 мм рт.ст.

Недостатком данной печи является то, что между графитом и расплавленным метаплом происходит реакция, в результате которой металл насыщается углеродом в пределах 0,7-0,87,. Металл с такай степенью загрязненности углеводородными соединениями и другими примесями является непригодным для применения в тонкопленочной технологии. В этой печи тигель представляет собой массивную графитовую емкость, для прогрева которой нужна значительное количество электроэнергии, а наличие вакуумных насосов значительно усложняет конструкцию печи, ло. ведет к удорожанию получаемых отливок, Целью изобретения является повышение качества получаемых отливок путем исключения попадания в получаемые отливки углеводородных и других примесеи во время плавления и охлаждения отливок в рабочей камере, а также снижение себестоимости получаемых отливок.

Поставленная цель достигается тем, чта в печи для изготовления отливок, содержащей рабочую камеру, выполненную s виде металлической емкости со змеевиком на наружной поверхности для Охлаждения, крышкой со штуцером для отвода газа, систему для поддержания давления газа в рабочей камере, тигель, выполненный из тУГОПлЭВКОГО МЕтаЛЛа, СИСТЕМУ НаГРЕВа, ОКруженную металлическим экраном, при этом система нагрева выполнена в виде ленты иэ тугаплавкого металла с навитой на нее с шагом 5-7 MM вольфрамовой проволокой диаметром не более 0,5 мм и охлаждаемыми токаподводами, а тигель установлен на ленту.

На фиг. 1 изображена печь для изготовления отливок, Общий вид; на фиг. 2 — сечеwe А-А на фиг, 1; на фиг. 3 — 5- узлы 1-1И на фиг. 1, Печь для изготовления отливок содержит рабочую камеру 1 с крышкой 2. К корпусу камеры 1 и крышки 2 припаяны трубки

Охлаждения 3. Корпус 1 и крышка 2 выполнены из нержавеющей стали. Крышка 2 имеет форму полусферы, в верхней части которой размещен штуцер 4 с гайкой 5. Гай ка 5 снабжена несколькими (двумя) отверстиями, На торце штуцера 4 установлено уплотнение 6 (медное или алюминиевое).

Концы трубок 3 соединены гибкими шлангами 7, В нижней части рабочей камеры 1 имеется штуцер 8 (см. фиг, 1,4), который посредством гайки 9, ниппеля 10, уплотнения 11, трубки 12 соединен аналогичным узлом со штуцером 8, расположенным на боковой части корпуса металлической емкости 13.

Газорегулирующая система состоит из металлической емкости 13, крышки 14, приваренной к емкости 13, датчика 15 давления газа, установленного в отверстие крышки

14, перегородки 16 с отверстием 17 в ее нижней части, штуцерав 8, гаек 9, ниппелей

10, уплотнений 11, трубки 12, гибкого шланга 18, надетого на штуцер 19 и соединен ного другим концом с газовым редуктором 20(например, редуктором кислородным баллонным), соединенным в свою очередь с находящимся под давлением до 150 кгс/см газовым баллоном 21, регулировочного клапана, установленного в отверстие в крышке

14 и из элементов 4 — б.

Регулировочный клапан (фиг. 5) выполнен в виде сьемного цилиндрического пустотелого стержня 22 посредствам резьбового соединения, закрепленного в гнезде 23, приваренного к крышке 14, 1770427

Внутрь стержня 22 запрессована фигурная втулка 24. Втулка 24 и стержень 22 упираются в уплотнение 25, установленное нв основание соединительного гнезда 23, Верхний торец втулки 24 имеет коническую фаску, по форме которой выполнена нижняя часть золотника 26, прижатого к ней пружиной 27.

Верхний конец пружины 27 упирается в регулировочный винт 28, имеющий ho своей оси отверстие. Газорегулирующая система работоспособна даже при наличии микротрещин и микрощелей в рабочей камере 1, элементах 4-6 и -28.

Рабочая камера 1 установлена на ножках 29 и имеет два отверстия, в которых герметично установлены изолированные токовводы, соединенные винтами 30 с источником электропитания 31 через электропровода. Токовводы (фиг. 2» содержат центральный пустотелый стержень 32 с буртиком 33, боковая стенка которого упирается в коническую изоляционную фигурную шайбу 34. Коническая поверхность шайбы 34 соприкасается с фигурной шайбой 35, приваренной к корпусу 1. К основа нию шайбы 35 прилегает коническая изоляционная фигурная шайба 36, которая соприкасается с боковой стенкой стержня

32 и с металлической фигурной шайбой 37, к основанию которой прилегает гайка 38, обеспечивающая плотное соединение элементов 33 — 38. На стержень 32 навинчена фасонная гайка 39 с двумя отверстиями, одно из которых соосно со стержнем 32, в другое ему перпендикулярно, и ушками, в которых имеется отверстие под винт 30.

Между нижним торцом стержня 32 и гайкой

39 расположено уплотнение 40.

В гайку ввинчены штуцера 41 и 42, буртики которых упираются в уплотнения 43.

На штуцера 41, 42 надеваются гибкие шланги 7 (на фиг. 1, 2 не показаны). Штуцер 41 приварен к трубе 44, проходящей по полости стержня 32 и заканчивающейся вблизи внутренней стенки стержня 32 на некотором (4 — 6 мм) расстоянии от нее. На стержень 32 надет металлический экран 45, служащий для защиты изоляционной шайбы

34 от инфракрасного излучения тигля. На стержень 32 навинчена фасонная гайка 46 с винтом 47 и завальцованной на нем шайбой

48, имеющей возможность вращения на винте 47. Винт 47 предназначен для закрепления ленты 49 из тугоплавкого металла (вольфрама, тантала, молибдена) между шайбой 48 и торцом охлаждаемого,стержня

32. Лента 49 окружена тонкой (диаметром не более 0,5 MM) вольфрамовой проволокой

50, намотанной вокруг ленты 49 с шагом не менее 5-7 мм. Поверх ленты 49 на проволоку 50 установлен тугоплавкий тигель 51 {например, из титана или нержавеющей стали), В тигель 51 помещен исходный материал 52 (алюминий, медь или др, материала). Лента

49 с проволокой 50 и тигелем 51 окружена защитным цилиндрическим отражающим экраном 53 из тугоплавкого материала (молибдена) и опирается на вольфрамовые стержни 54. Экран 53 служит для фокусирования на тигель 51 отражения теплового излучения нагретой ленты 49 и тем самым ускоряет разогрев тигеля 51 и уменьшает разогрев камеры 1.

Стержни 54 установлены в керамиче15 ском основании 55. К трубке от сосуда Дью20

55 ара с жидким азотом подсоединен гибкий шланг 7 одного из токовводов. Другой шланг 7, надетый на другой штуцер этого же токоввода соединен вторым концом с одним из штуцеров второго токоввода. На другой штуцер второго токоввода надет резиновый шланг 7, другим концом соединенный с одним из концов трубки 3. Gt другого конца трубки 3 отходит шланг 7 к трубе охлаждения 3, припаянный к емкости 13. Крышка 2 крепится к корпусу рабочей камеры 1 посредством гаек 56, навинченных на шпильки

57, в свою очередь закрученных в выступ 58 рабочей камеры 1. Между крышкой 2 и выступом 58 установлено уплотнение 59 из отожженных меди или алюминия. Для большей надежности уплотнения на выступе 58 и на крышке 2 имеют остроконечные выступы 60.

Печь для изготовления отливок работает следующим образом.

В тигель 51 помещают исходный материал 52. Устанавливают загруженный тигель 51 на ленту 49, обмотанную проволокой

50. Загруженный тигель 51 с лентой 49 и проволокой окружают экраном 53. Под ленту 49 подводят стержни 54, установленные на основании 55, таким образом, чтобы лента 49 не могла прогнуться вниз под тяжестью загруженного тигля 51. Проводят закрытие камеры 1 закручиванием гаек 56, закрывают также отверстие в верхней части камеры 1 (завинчивают до упора в уплотнение 6 гайку 5). Устанавливают в рабочей камере 1 давление газов 0,3-0.6 кгс/см путем открытия на газовом баллоне 21 вентиля, а также вращением рукоятки редуктора 20. Открывают отверстие в верхней части камеры 1 путем отвинчиаания гайки 5 на 5-7 оборотов. Вытесняют в течение 30-40 мин при помощи инертного газа (например, аргона) из рабочего объема воздух. Закрывают отверстие в верхней части камеры 1 путем завинчивания гайки 5 до упора. Устанавливают в рабочем объеме давление инертного

1770427 газа 0,1-0,3 кгс/см . Установление в рабочем объеме давления 0,1-0,3 кгс/см инертт ного газа (аргона) осуществляют следующим образом. Выпускают из рабочего объема инертный газ через микротрещины и поры s рабочей камере 1 и а газорегул:,рующей системе (в местах сварных швов и уплотнений), а также напускают в гаэорегулирующую систему и одновременно выпускают из газорегулирующей системы через регулировочный клапан инертный газ. Установленное давление 0,10,3 кгс/см после этого поддерживают в течение всех последующий операций до момента окончания процесса,остывания готовой отливки. После выпуска из рабочего объема почти всех инородных (за исключением аргона) молекул проводят охлаждение токовводов, рабочей камеры 1 с крышкой 2 и газорегулирующими системами до температуры -50- -100 С, для чего по трубкам 3, 7 и по токовводам в течение 10-15 мин пропу, скают пары азота. Пары азота при этом по гибкому шлангу 7 подводят к штуцеру 41. от него по трубке 44 к верхнему торцу стержня

32, по внутренней полости стержня 32 к штуцеру 42 и от него по шлангу 7 к элементам 42, 44, 32, 41 второго токоввода а описанной последовательности, от штуцера 41 второго токоввода по шлангу 7 к трубке 3 рабочей камеры 1 ° от второго конца трубки

3 рабочей камеры по гибкому шлангу 7 к трубке 3 крышки 2 от второго конца трубки

3 крышки 2 по шлангу 7 к трубке охлаждения

3, припаянной на емкости 13. После этого от источника электропитания 31 по ленте пропускает электрический ток (до 300 А). Поскольку лента 49 обмотана вольфрамовой проволокой 50 (ВА-А+0,2 ТУ 48-9-45-67) диаметром не более 0,5 мм с шагом не менее

5 — 7 мм, а тигель 51 установлен на ленту 49 с проволокой 50, то эта проволока 50 соприкасается как с лентой 49, так и с тигелем 51.

Наличие электрического контакта тигеля 51 с лентой 49 через. проволоку 50 обусловливает протекание электрического тока не только по ленте 49, но и по тигелю 51, что ускоряет его разогрев и облегчает расплавление исходного материала 52, Величина электричесКого тока, протекающего по тигелю 51 с исходным материалом 52, не превышает а атом случае 12-18 от величины электрического тока источника электропитания 31. Эта величина электрического тока обусловлена незначительной {по сравнеwe с величиной площади поверхности ленты 49) площадью соприкосновения проволоки 50 с тигелем 51 и с лентой 49.

Электрический ток протекает и по экрану

53. причем величина этого тока составляет

1-5ф, от величины тока ленты 49. По ленте

49 пропускают электрический ток(300А при напряжении 10 В источника электропитания 31} s течение 40-50 мин, при этом происходит полное расплавление всего исходного материала 52, загруженного в тигель 51. Экран 53 отражает своей внутренней поверхностью тепловое излучение, исходящее от элементов 49 — 52, тем самым предотвращая уход теплового излучения на стенки камеры 1 и крышки 2, способствует сокращению времени расплавления исходного материала 52, После расплавления исходного материала 52 прекращают пропусквние электрического тока по ленте

49. Тигель 51 с расплааом охлаждают в течение 30-40 мин до температуры не выше

80 С, После этого прекращают подачу паров азота в трубки 3, 7 и в токоваоды.

Затем прекращают подачу инертного газа в рабочий объем. Открывают крышку 2. снимают экран 53, вынимают тигель 51 и извлекают из него полученную отливку.

Использование проволоки 50 из других материалов, кроме вольфрама, не желательно, поскольку остальные металлы имеют меньшее удельное сопротивление; что увеличивает величину тока, протекающего по тигелю 51 и по экрану 53, сокращает величину тока в ленте 49 под тигелем 51 и увеличивает ток в ленте 49 на участках между токовводами и тигелем 51. Увеличение тока

s ленте 49 на указанных участках сокращает срок службы ленты 49 и приводит к ухудшению охлаждения токовводов, что приводит к газовыделениям из токовводов и ухудшеwe качества получаемых отливок. Аналогичные явления наблюдаются и при увеличении диаметра вольфрамовой проволоки 50, а также при сокращении шага намотки этой проволоки 50. Увеличение диаметра проволоки 50, кроме того. приводит к отделению тигеля 51 от ленты 49, что приводит к необходимости увеличить количество электроэнергии, подводимой к тигелю 51, что нежелательно с точки зрения себестоимости получаемой продукции, Пары азота подаются в трубки 3, 7 и в токовводы под давлением 0,1 — 0,2 кгс/см .

Диапазон давлений инертного газа (аргона) 0,3-0,6 кгс/см . который устанавлива2 ют для вытеснения воздуха из рабочего объема является оптимальным. При меньшем давлении наблюдается не полное вытеснение воздуха из рабочего объема.

При давлении больше 0,6 кгс/см не удается ранее чем за 30-40 мин вытеснить воздух из рабочего обьема и налицо значительный расход инертного газа.

1770427

Давление инертного газа 0,1-0,3 кгс/см, устанавливаемое в рабочем объеме при плавлении исходного материала, также является оптимальным, При давлении меньше 0,1 кгс/см возможно проникновение в рабочий объем инородных молекул из атмосферы. При давлении больше 0,3 кгс/см через рабочий объем проходит значительное количество газа, охлаждающего тигель

51 сисходным материалом,,,,что приводит к потерям инертного газа, и электроэнергии. При увеличении давления увеличивается температура плавления исходного материала, что также приводит кизлишнему подводу тепловой энергии к тигелю 51 с исходным материалом 52.

Емкость 13 газорегулирующей системы удалена от рабочей камеры. Это обусловлено тем, что в случае установки регулировочного клапана непосредственно в стенке рабочей камеры 1 между элементами 24 и 26 в зоне их соприкосновения появляются наросты металла от napos расплавленного в тигеле 51 исходного материала 52, что нарушает величину зазора между элементами 24 и 26, от которого зависит точность поддержания нужного давления. Для осаждения паров металла в емкости 13 установлена перегородка 16 (экран) с отверстием 17.

Так как габариты печи значительно меньше по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения, электрической энергии потребляется в несколько раз меньше, то и стоимость получаемых отливок снижается в несколько раз.

Поскольку перед началом разогрева исходного материала 52 из рабочего объема удаляется воздух и он заполняется инертным газом, превышающим атмосферное давление (что препятствует проникновению газов иэ атмосферы), стенки рабочей камеры 1 и крышки 2 выполнены из нержавеющей стали с малой газопроницаемостью и при плавлении находятся в сильно охлажденном состоянии (-50 — -100 С), а инертный газ (аргон) применяется высшего сорта с очень незначительными примесями других

45 веществ (аргона 99,992 ), то отливки получаются высоко о качества с незначительным количеством примесей.

В качестве исходного материала, загружаемого в тигель, можно использовать отработанные пластины, примененные в качестве распыляемых ионами пластин в микрорадиоэлектронике для получения тонких пленок.

Использование предложенной печи для изготовления отливок по сравнению с известными техническими решениями позволяет реализовать следующие преимущества: — йовысить качество металла путем исключения попадания в получаемые отливки углеводородных и других примесей во время плавления и охлаждения отливок в рабочей камере, — сократить вес печи, — сократить количество потребляемой электроэнергии, — не проводить тщательную герметизацию рабочей камеры, — снизить стоимость печи, — снизить себестоимость получаемых отливок

Формула изобретения

Печь для изготовления отливок, содержащая рабочую камеру, выполненную в виде металлической емкости со змеевиком для охлаждения наружной поверхности, крышкой со штуцером для отвода газа, систему для поддержания давления инертного газа в рабочей камере, соединенную с отверстием в нижней части камеры, систему нагрева с источником электропитания и тигель, отличающаяся тем, что. с целью снижения себестоимости и повышения чистоты получаемого материала, она снабжена металлическим экраном, окружающим систему нагрева и тигель. система нагрева выполнена в виде ленты из тугоплавкого металла с навитой на нее с шагом 5 — 7 мм вольфрамовой проволоки диаметром не более 0,5 мм и охлаждаемыми токоподводами, а тигель выполнен из тугоплавкого металла и установлен на ленту.

1170427

1770427

Составитель A.Ремизович

Техред M.Moðãåèòàë Корректор С.кисина

Редактор А.Полякова

Производственно-издвтеввский комбинат Патент", г. Уигород, уе,Гегвринв, ЗОГ

Заказ 3716 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изооретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4)5