Вакуумная плавильно-литейная установка для плавки и литья жаропрочных сплавов по выплавляемым моделям

Министерство образования и науки Российской Федерации

Рыбинский государственный авиационный технический университет

имени П.А. Соловьева

Факультет авиадвигателестроения

Кафедра материаловедения, литья и сварки

Курсовая работа

по дисциплине

«Технологическое оборудование литейных цехов»

на тему

« Вакуумная плавильно-литейная установка для плавки и литья жаропрочных сплавов по выплавляемым моделям »

Студент группы ЛО-08: Чистякова Ю.В Руководитель: Серебряков С.П.

Рыбинск, 2012

Содержание

Введение

Описание установки УППФ

Работа установки УППФ

Расчет вакуумной системы

Список использованной литературы

Введение

Расплавление металла шихтовой заготовки, подготовка расплава к заливке и заливка литейных форм являются операциями, определяющими металлургическое качество отливок и свойства металла отливок.

Плавка жаропрочных сплавов на никелевой или железоникелевой основе, легированных алюминием и титаном, при литье лопаток или других деталей ответственного назначения осуществляется в условиях вакуума или в инертной атмосфере. Это вызвано тем, что расплавы жаропрочных сплавов активно окисляются кислородом, образуя на поверхности зеркала жидкоподвижную пленку оксидов (плены), преимущественно титана, алюминия, хрома. Оксиды, попадая в литейную форму при заливке, образуют в отливке несплошности структуры металла, что является неисправимым браком в отливках.

Повышение требований к металлургическому качеству лопаток вызывает необходимость постоянного совершенствования технологии выплавки сплавов и технологии переплава шихтовых заготовок сплавов при литье лопаток.

Технология переплава шихтовых заготовок в литейном цехе постоянно совершенствовалась в связи с возрастающими требованиями к лопаткам по надежности и ресурсу работы, ростом рабочих температур лопаток, утонением толщины стенок, увеличением термических напряжений в лопатках при эксплуатации.

В 50-60-х годах при разработке и освоении в промышленности технологии литья охлаждаемых лопаток плавка и заливка металла осуществлялись в вакуумных печах периодического действия. В данном случае использовались набивные плавильные тигли, применялась шихта преимущественно открытой выплавки с использованием собственного возврата в количестве 50-80 %. С освоением технологии литья охлаждаемых лопаток без припуска на механическую обработку по газовому тракту и ужесточением контроля поверхностных дефектов лопаток при переходе от контроля методом цветной дефектоскопии на ЛЮМ-контроль стала очевидной необходимость рафинирования расплавов жаропрочных сплавов от неметаллических включений перед сливом в литейную форму. Попытки рафинировать расплав в рамках существующей технологии литья и используемого оборудования путем повышения глубины вакуума до 5·10^-3 мм рт.ст., увеличение времени выдержки расплава при глубоком вакууме не дали положительных результатов, и вопрос полезности глубокого вакуума долгое время оставался дискуссионным. Результатом многочисленных исследований, проведенных в ВИАМ, явились следующие требования к процессу плавки жаропрочных сплавов при литье лопаток:

- шихтовая заготовка вакуумной выплавки специализированного металлургического предприятия, удовлетворяющая требованиям соответствующего ГОСТа;

плавильные печи вакуумные полунепрерывного действия, обеспечивающие герметизацию плавильной камеры в течение рабочей смены;

глубина вакуума в плавильной камере не более 5·10^-3 мм рт.ст., при натекании не более 30 л/(мкм·с);

быстросменный керамический тигель с ограничением срока эксплуатации.

Физический смысл вышеперечисленных требований к технологии сводится в первую очередь к обеспечению чистоты металла по неметаллическим включениям. Технические условия на шихтовую заготовку ограничивают содержание кислорода, азота, водорода. Из этих газов лишь водород находится в металле только в растворенном состоянии и при вакуумной плавке довольно легко удаляется из металла. Кислород и азот имеются в металле и в виде растворенных газов, но главным образом в составе неметаллических включений тугоплавких оксидов типа А1₂0₃, Ti0₂ и тугоплавких нитридов типа TiN, NbN и другие.

При переплаве исходной шихтовой заготовки содержание неметаллических включений в расплаве при определенных условиях может быть уменьшено, либо увеличено. Содержание кислорода и азота определяется парциальным их давлением в атмосфере печи, то есть прежде всего глубиной вакуума и величиной натекания, температурой расплава, взаимодействием расплава с футеровкой тигля, диссоциацией и растворением тугоплавких нитридов и другими факторами. При вакуумной плавке содержание кислорода снижается вследствие его взаимодействия с углеродом, присутствующим в сплавах в качестве легирующего элемента. Однако содержание кислорода не достигает тех значений, которые предсказывает термодинамика для реакций углерода с кислородом. По-видимому, причиной этого являются недостаточно изученные механизмы растворения огнеупоров.

Таким образом, чистота расплава металла по неметаллическим включениям в современном производстве лопаток ГТД достигается благодаря качественной по этим параметрам шихтовой заготовке, переплаву ее в вакуумных печах, обеспечивающих достаточную глубину вакуума при допустимом натекании и тигле, изготовленном из инертных к расплаву огнеупорных материалов.

Описание установки УППФ

Для литья лопаток в литейных цехах отрасли применяются вакуумные плавильные установки с подогревом форм (УППФ) нескольких модификаций конструкции плавильных камер, которых не имеют принципиальных различий. Установка УППФ включает несколько функциональных блоков (рисунок 1):

- блок плавильной камеры с индуктором 10, закрепленным на вращающейся платформе, обеспечивающей поворот плавильного узла при сливе металла в форму 3;

блок шлюзовой камеры с печью подогрева литейных форм 11, обеспечивающей технологическую температуру формы в момент заливки металлом 1. Для загрузки формы под заливку шлюзовая камера откатывается от плавильной камеры;

между шлюзовой и плавильной камерой расположен затвор 2, обеспечивающий герметизацию плавильной камеры при загрузке и выгрузке залитых литейных форм;

блок загрузки шихты 5, обеспечивающий вакуумирование шихты и загрузку ее в тигель без разгерметизации плавильной камеры;

с противоположной стороны от шлюзовой камеры на плавильной камере имеется крышка с запорами, смотровым стеклом и натекателями. Крышка открывается при обслуживании и ремонте плавильной камеры 4;

блок вакуумной системы включает два форвакуумных (7) и один бустерный насос и обеспечивает создание разрежения в плавильной камере до 13·10^-3мм рт.ст.;

- блок силового электропитания 9, обеспечивающий плавку металла;

- блок электропитания 6, обеспечивающий управление параметрами технологического процесса и их регистрацию.

Регистрируемыми параметрами технологического процесса с записью на самописец являются: глубина вакуума в плавильной камере, температура металла по ходу плавки (замеряемая радиационным или термоэлектрическим пирометром), температура металла перед сливом в литейную форму, замеряемая термопарой погружения, температура печи подогрева. Проверка натекания проводится при холодном тигле не реже одного раза в неделю (лучше ежедневно перед началом рабочей смены). Глубина вакуума в плавильной камере оговаривается технологией на отливаемые детали и обычно находится в пределах (5-20)·10^-3 мм рт.ст.

Работа установки УППФ

Шихтовая заготовка поставляется в виде прутка диаметром 90 мм мерной длины в соответствии с массой блока отливаемых деталей. Наружная поверхность шихтовой заготовки обтачивается до снятия оксидного поверхностного слоя, и заготовка упаковывается в индивидуальный пакет. Усадочная раковина на торцах не допускается. Все мерные заготовки одной плавки маркируются одним номером. К каждой плавке заводом-поставщиком прилагается сертификат, в котором указывается химический состав плавки, в том числе и содержание вредных примесей свинца, висмута и других, что оговорено техническими условиями и стандартами. В сертификате приводятся и контролируемые механические свойства: жаропрочность, предел прочности, предел текучести, удлинение и сужение при температурах, оговоренных техническими условиями.

Мерная шихтовая заготовка через вакуумный шлюз 5, подается в тигель с помощью загрузочного устройства. Прокаленную керамическую оболочку из прокалочной печи устанавливают в печь подогрева литейной формы плавильной установки и накатывают блок шлюзовой камеры на плавильную камеру. Затем вакуумируют плавильную камеру и начинают расплавление шихтовой заготовки. По мере расплавления шихтовой заготовки во всех случаях на зеркале расплава присутствуют оксидные плены, которые удаляют путем:

восстановления оксидной плены углеродом, присутствующим в расплаве или специально вводимым с шихтой на зеркало расплава обычно в количестве 0,02 % (масс.) по известной реакции:

МеО + С = Ме + СО↑

оседания плены на стенках керамического тигля благодаря более высокой смачиваемости оксидов (преимущественно А1₂0₃, ТiO₂) с материалом керамики тиглей (электрокорунд, магнезит), чем смачиваемость этих материалов с расплавом.

Эти процессы эффективно протекают при температурах 1600 - 1650^о С. Расплав перегревают и дают выдержку при этих температурах до полного удаления плены. Температура перегрева в указанных пределах для разных сплавов и материалов тиглей может изменяться и фиксируется в технологии на отливаемую деталь. Повышение температуры перегрева расплава сверх приведенной интенсифицирует процессы очистки металла от оксидных включений. Однако при определенных температурах перегрева начинаются реакции химического взаимодействия расплава с керамикой тигля, то есть восстанавливаются углеродом расплава оксиды керамики, ванна расплава начинает интенсивно «кипеть», тигель подвергается эрозии, металл насыщается неметаллическими включениями от тигля. Такое «кипение» расплава не допускается технологией.

Пороговая температура начала интенсивного взаимодействия расплава с керамикой тигля понижается с повышением содержания углерода в сплаве и снижением суммарного содержания алюминия и титана, с повышением содержания хрома, неполным спеканием оксидов А1₂0₃ и Si0₂ при синтезе муллита (материала, применяемого для изготовления тиглей), при наличии в материале тиглей других оксидов, легко восстанавливаемых металлом, например Fe₂0₃ и других.

После очистки металла от неметаллических включений температура расплава снижается до технологической температуры заливки для конкретной детали (1440 - 1560^о С) в зависимости от металлоемкости, толщины стенок и технологической температуры формы в момент заливки и производится слив металла в литейную форму при условии отсутствия плен на поверхности металла. В противном случае операцию рафинирования металла повторяют.

Плавкой при литье лопаток считается партия лопаток, отлитых из одной исходной шихты рабочего сплава на одной плавильной установке в одну смену. К партии лопаток одной плавки отливают образцы-свидетели для контроля механических свойств и химического состава. Эти же образцы используют для контроля механических свойств после термической обработки лопаток от каждой партии - садки.

Технология переплава шихтовой заготовки при литье лопаток, несмотря на кажущуюся простоту процесса, существенно влияет на качество материала лопаток и механические свойства металла отливок. Этим и объясняется необходимость введения определения партии - плавки лопаток и ограничение числа лопаток в партии не только исходной плавкой шихтовой заготовки, но и сменной заливкой на одной установке.

Рисунок 1. Схема установки УППФ

металл шихтовый заготовка плавильный

Расчет вакуумной системы плавильно-литейной установки УППФ-3 для плавки и литья жаропрочных сплавов по выплавляемым моделям.

Технические характеристики: Емкость тигля m 10 кг, мощность генератора N= 150 кВт, рабочая частота 2500 Гц, остаточное давление р_н = 1 Па

Установка работает в полунепрерывном режиме, снабжена рабочей камерой, камерой загрузки шихты, камерой загрузки форм с печью подогрева форм.

Вакуумная система состоит из рабочих камер 1, механического насоса НВЗ-20Д, бустерного паромасляного насоса НВБМ-2.5, вакуум-проводов, вакуумных затворов и средств контроля вакуума.

При вакуумировании рабочей камеры механическим насосом 8, в обход бустерного, по вакуум-проводу 7 выполняется предварительная откачка воздуха до остаточного давления 100 - 130 Па. Затем включают паромасляный насос, обеспечивающий рабочий вакуум.

Работа установки (рис. 1) производится в следующем порядке: вакуумируется рабочая камера 1, в тигель 4 через камеру 2 загружается шихта и выполняется плавка; в печь подогрева 5 при температуре 950 - 1050 ^оС устанавливается горячая форма (1000 ^оС) , камера 3 вакуумируется и печь 5 перемещается в камеру 1, где заливается металлом, затем форма с металлом извлекается из печи 5 и цикл повторяется.

Индукционная печь питается генератором высокой частоты. Для обеспечения активной мощности, передаваемой в расплавляемый металл, имеется комплект конденсаторов, подключаемых с пульта управления.

Жаропрочные сплавы заливаются при Т_зал = 1550-1600 ^оС . Физические свойства никеля - основы жаропрочных сплавов: удельная теплоемкость с = 440 (тверд) и с_ж = 620 (жидк) Дж/(кг·К), плотность ρ = 8900 кг/м³

температура плавления 1450 ^оС, теплота плавления q = 300 кДж/кг =300000Дж/кг, константа растворения водорода К_н = 7·10^-4 %/Па^0,5. Эти сплавы склонны к взаимодействию с атмосферой печи, образованию плён и шлака. Плавка в вакууме снижает активность этого взаимодействия.

Время плавки металла определяется по выражению:

Τ=m(cΔT_тв+с_ж ΔT_ж + q ) / (η N). (1)

m = 10 кг

N =150 кВт = 150000 Вт

ΔT_тв =Т_пл - Т_о = 1000-20 =980^оС

ΔT_ж = Т_зал - Т_пл = 1575-1000 =575^оС

η - к.п.д. плавильного узла, η = 0,7 - 0,4

Подставим значения в формулу (1):

Время плавления и перегрева:

τ_п=(с_жΔT_ж+q ) m / ( η N) (2)

τ_п =  = 87,5 с

При плавке скорость газовыделения из расплава (Па/с):

G_м=114·10⁵m(c_н - К_н (р_н)^0,5 ) / τ_п . (3)

Здесь c_н - содержание водорода в исходном сплаве, c_н = 0,02%, р_н - давление газов при плавке, Па.

р_н = р_в/0,5

р_в (предельное остаточное давление) = 6,5 · 10^-4 Па;

р_н = р_в/0,5 = 6,5 · 10^-4 /0,5 = 13· 10^-4 Па;

G_м =  = 228,3 Па/с

Поток газов, десорбирующихся с поверхности рабочей камеры:

G_к=280q_kF_k (4)

Здесь F_k - поверхность камеры, м², q_k - скорость газоотделения, для нержавеющей стали при 1 часе работы вакуумной системы q_k = 8,8·10^-4 см³/(см² ч) = 8,8·10^-6 м³/(м² ч), F_k = V/h = 0,7/5 =0,14 м².

Подставим значения в формулу (4):

G_к = 2808,8·10^-60,14 = 0,00034 Па/с

Внешнее натекание газов в камеру G_квн определяют экспериментально, при этом его полагают допустимым в случае, если:

G_квн < 10 G_к, G_квн < 10 0,00034 = 0,0034 Па/с

Общее газовыделение при плавке G_o:

G_o = G_м + G_к + G_квн . (5)

Подставим значения в формулу (5):

G_o = 228,3 0,00034 0,0034 = 228,3 Па/с

Время откачки камеры до заданного давления определяют по формуле:

τ = (V/S_нб) ln[(p₁ - p_в)/ (p₂ - p_в)] . (6)

S_н (быстрота откачки насоса) = 2500 дм³/с = 2,5 м³/с (для бустерного насоса НВБМ-2,5);

S_н > 2S_нб → S_нб (необходимая скорость откачки) = S_н/2 = 2500/2 = 1250 дм³/с = 1,25 м³/с

р₁ (начальное давление насоса) = 130 Па;

р_в (предельное остаточное давление) = 6,5 · 10^-4 Па;

р₂ = р_н, р_в < 0,5р_н → р_н = р_в/0,5 = 6,5 · 10^-4 /0,5 = 13· 10^-4 Па;

τ = (0,7/1,25) ln [(130 - 6,5 · 10^-4)/(13· 10^-4 - 6,5 · 10^-4)] = 6,8 с.

Список использованной литературы

1. Методическое пособие к лабораторной работе «Вакуумная техника»;

. Е. Н. Каблов, «Литые лопатки газотурбинных двигателей», М.: "МИСиС", 2001 - 632 с.;3. Интернет;