Индуктор для плавки металла во взвещенном состоянии

 

Союз Советсимк

Социалистических республик

О::АН И Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ (II) 711706 (63 ) Дополнительное к авт. сеид-ву(22) Заявлено 04.08.77(21) 2512789/24-07 (51)M. Кл.

Н OS В 5/08 с присоединением заявки М

Ввударствапвй кемвтвт

CCCP во делам нзебретений и вткрытвй (23 ) П рно ритет—

Опубликовано 25.01.80. Бюллетень М 3

Дата опубликования описания 28.01.80 (53) ЩК 621.365.. 51 (088.8) 1

В. В. Смирнов, И. В. Коркин, А. А. Андреев, В. М. Привалов и И. Ф. Корнет (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

Физико-технический институт им. A. Ф. Иоффе АН. СССР (54) ИНДУКТОР ДЛЯ ПЛАВКИ МЕТАЛЛА

BO ВЗВЕШЕННОМ СОСТОЯНИИ

Изобретение относится к эпектротермии, а именно, к индукционной плавке во взвешенном состоянии и может быть использовано для литья ответственных мелких деталей, например, имеющих аэродинамический профиль.

Известны индукторы дпя плавки.во взвешенном состоянии выполненные в виде двух соосных водоохпаждаемых витков, с параллельным или последовательным" обратным витком (1).

Недостатком этих индукторов является малая масса взвешенного расплава, кроме того, при сливе расплава объемом более 3 смЭ в случае металлов с высоким значением капнллярной постоянной

/ (Т1, Ас, Му ." 1 ) расплав касается нижнего витка ипдукго а. (рнчнной -.-o является несогласованность основных размеров нндуктора с нредеаь«о возможной теоретической высотой в;п еш.".нного расплава. Кроме того, вьшопнгппг. витков индуктора квадратного профиля с чения создают расиределени"; ппотаосгн тсжа, которое вызывает локальные ослабления магнитного попя, способствующие возникновению неустойчивости расплава, что также мешает увеличить его массу и

5 объем.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является индуктор для плавки металла во взвешенном состоянии, содержащий две соосные последовательно установленные секции, каждая из которых выполнена в виде кольцевого водоохлаждаемого витка, верхняя секция образует в сечении прямоугольник, а нижняя — сектор, 1> . дугообразная сторона которого спужит ее внутренней поверхностью (2).

Однако, данный индуктор, .хотя и дает увеличение массы расплавпяемого металла, например вольфрама, до 70г объе Э мом до 5 см, в случае металлов с высоким значением капилпярной постоянной

Tom как т, А6,М,Si вов, пригоден лишь для неболы; пх масс, менее 25 r.

3 711

Бель изобретения — увеличение мас сы расплавляемого металла.

Поставленная цель достигается тем, что внутренний диаметр верхней секции

Д равен общей высоте индуктора Н, равной сумме высот обеих секций и зазора между ними, а геометрические размеры выбраны по следующим формулам:

НЭА c» Q+ 0 -8ь 2а, 8=0,З а /Ь где с» — внутренний диаметр нижней секции, био .=. 0,75-:-1,25 — эмпирический коэффициент:

0I — капиллярная постоянная расплавау м) — глубина проникновения поля в расплав, м.

Расчетные соотношения получены на .основе экспериментального изучения поведения расплава различного объема и капиллярной постоянной в полях различных индукторов. Как известно расплав, взвешенный в системе кольцевых витков, испытывает силовое воздействие поля со всех сторон, кроме особых точек и линий (критические места), где индук.— . цированные токи равны нулю. Расплав не вытекает через критические места благодаря действию сил поверхностного натяжения. В равновесии выполняется известное соотношение: а

9.

rae p - плотность расплава, кг/м: ускорение свободного падения, м/с2: высота расплава, м: (7 — коэффициент поверхностного натяжения, Дж/м;

2.

1,» сферические радиусы кривизны нижней и верхней частей расплава соответственно, м.

Из этого соотношения определяют максимально возможную высоту взвешенного расплава, считая его верхнюю поверхность плоской (0@= С » ) и радиус . кривизны нижней поверхности равным глубине проникновения поля Ь в расплав.

Учитывая, что взвешенный расплав всегда ограничен поверхностью некоторой кривизны, форма которой определяется конфигурацией магнитного поля индуктора, получим из этого соотношения ма*с "

706 мальную высоту расплава с учетом кривизны его верхней поверхности:

* c» И-Ъ|» в) /юь (4) В области осооой линии кривизна поверхности расплава и соответственно давление Лапласа вдвое меньше, чем в нижней части расплава, так как один. из главных радиусов кривизны определяется на цилиндрической поверхности. Поэтому высота 1 расплава выше экваториальной особой линии равна

Но= % (5) где g - коэффициент зависящей от конструкции индуктора, режима токов, витков, объема и физических свойств раснла-. ва и может изменяться в пределах. .»

g(g(— °

Для взвешивания расплава большой массы необходимо выполнять и соотношения: ь » =1

Q)r8 С(4, (7) +a (a+ aХ ю аь

%=1tga +a4a -Ba >(Oat (9)

По размерам расплава определяются размеры индуктора, которые вычисляются которые обеспечивают минимальное значение радиуса кривизны расплава в его нижней части, и максимальное значение радиуса кривизны расплава в его верхней части. Принципиальных ограничений на диаметр экваториальной частИ расплава не имеется. Однако, учитывая специфику распределения тока по поверхностям массивных витков, а также эребования компактной формы расплава и по возможности распределения температуры в нем, целесообразно ограничить профиль сечения нижнего витка индуктора со стороны плавильного объема выпуклой линией, а диаметр экваториальной чести. расплава равным его высоте. В этом случае выше перечисленные соотношения приводят к форме взвешенного расплава виде сфераконус. Высота 3 и объем Ч расплава такой формы (» = Ц2) определяются соотВ ношениями.

711706 6 массой до 200 г, алюминия до 220 г и ниобия до 180 г, и сливать расплав без касания витков индуктора.

5 Применение предлагаемого индуктора обеспечивает достаточное количество расплава для литья мелких иэделий, d=o,3a /h,, 5

llo соотношениям (1- .2) иэ следующих соображений. При a> C 0,75 обьем расп лава по сравнению с оптимальным умень шается более чем на 40%. При а У1,2 технически сложно обеспечить боковую устойчивость расплава из-эа резко неравномерного распределения тока по поверхностям нижнего витка.

Для устойчивого взвешивания расплава и его последующего выпивания необ- io ходимо осуществить равенство электромагнитных давлений на расплав снизу и сбоку, что обеспечивается выбором диаметра отверстия нижнего витка и ре-: жимов токов витков индуктора. По дан- !5 ному изобретению определено соотноше- ние, по которому выбирается диаметр отверстия нижнего витка индуктора.

На чертеже приведен общий вид индук-. тора, разработанного для плавки титана 26 и его сплавов.

Нижний виток 1 индуктора имеет профильный сектор сечения, верхний виток «

2 - прямоугольный профиль сечения.

Витки индуктора имеют равную или при- 25 мерно равную высоту и межвитковый зазор в пределах 3-:8 мм.

Работа устройства протекает в следующем порядке. Загрузка массой до 200г в виде куска или кусков помещается в ЗО индуктор. По виткам индуктора пропус. кают токи взаимнопротивоположного направления частотой не менее 200 кГц.

Устанавливают соотношение тока верхнего витка к току нижнего витка в преде- 35 лах 0,4-;0,8, напряжение не менее 90В.

Изменением напряжения на индукторе или соотношением токов витков в случае раздельного электропитания устанавливаются требуемая температура расплава. 4О

После выдержки расплава во взвешенном состоянии в течение заданного технологией времени, последний выливается в кристаллизатор плавным снижением напряжения. В случае независимого электропи- 4> тания витков в процессе выливания одновременно повышают соотношение токов витков до 0,8, что улучшает выпивание.

Индуктор по данному изобретению позволяет .осуществить плавку во взвешенном состоянии титана и его сплавов

Формула изобретения

Индуктор для плавки металла во взвешенном состоянии содержащий pse cooc ные, последовательно установленные секции, каждая иэ которых выполнена в виде кольцевого водоохлаждаемого витка, верхняя акция образует в сечении прямоугольник, а нижняя †. сектор, дугообразная сторона которого служит ее внут:ренней поверхностью, о т л и. ч а юшийся тем, что, с целью увеличения массы расплавляемого металла, внутренний диаметр верхней секции Д равен общей высоте индуктора Н, равной сумме обеих секций и зазора между ними, а геометрические размеры индуктора выбраны по следующим зависимостям: ън=* al(d+4g+-8@+1/1L, д — внутренний диаметр нижней сек-. ции ф, -0,75+1,25 - эмпирический коэффициент;

Q- капилляриая постоянная расплава, м; глубина проникновения поля в расплав, м.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Фогель А. А. и щз. Индук горы для нагрева и плавки металлов во взвешенном состоянии. Изв. АН СССР, ОТН, Металлургия и топливо, 1961, с. 5,60.

2. Смирнов В. В. и др. О снижении содержания примесей внедрения в вольфрам в процессе плавки во взвешенном состоянии в среде гелия. Изв. AH СССР, Металлы, 1970, с. 5,40.

711706

Составитель О, llleдрина

Редактор Д. Зуев Техред О. Андрейко Корректор A. сутяга

Закаэ 9910/73 Тираж 885 Подписное

UHHHllH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раувская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4