Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2014-0-5-5-5
УДК 669.245.018.44
Д. Е. Каблов, Е. Г. Шомполов, В. В. Сидоров, А. В. Горюнов
ВАКУУМНАЯ ИНДУКЦИОННАЯ ПЛАВИЛЬНО-РАЗЛИВОЧНАЯ УСТАНОВКА VIM 12 III HMC ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Рассмотрена конструкция вакуумных индукционных установок, в том числе современной вакуумной индукционной печи VIM 12 III HMC производства фирмы ALD (Германия). Установка VIM 12 III HMC имеет все необходимые узлы и устройства, в том числе датчики для замера окисленности расплава, и отвечает самым современным требованиям к вакуумному оборудованию. Установка позволит разработать новые эффективные технологические процессы выплавки литейных жаропрочных никелевых сплавов последнего поколения для монокристаллического литья и, тем самым, повысить их эксплуатационные характеристики.

Ключевые слова: жаропрочный сплав, вакуумная индукционная печь, высокое качество, вакуум.

ВИАМ является ведущим отечественным разработчиком литейных жаропрочных сплавов для турбинных и сопловых лопаток авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и наземных энергетических газотурбинных установок (ГТУ) и единственным в Российской Федерации разработчиком жаропрочных сплавов для рабочих лопаток с монокристаллической структурой перспективных ГТД пятого и шестого поколений.

За последние годы в институте разработана целая гамма никелевых жаропрочных сплавов для монокристаллического литья (безуглеродистых, высокорениевых, рений- и рутенийсодержащих, интерметаллидных, коррозионностойких таких марок, как ЖС36-ВИ, ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ, ВЖМ6-ВИ, ВКНА-1В-ВИ, ВКНА-25-ВИ, ВИН3-ВИ, ЖСКС2-ВИ и др.), которые обладают уникальным сочетанием свойств, обеспечивающих работоспособность этих материалов при температурах газа 2000–2200 К, что позволяет существенно улучшить тактико-технические характеристики двигателей и самолетов [1–3].

Повышенная чистота высокожаропрочных литейных сплавов по примесям и газам, а также высокий уровень механических свойств и технологичность этих сплавов могут быть обеспечены только при использовании для их производства современных вакуумных плавильных установок [4–8].

В 2002 году в ВИАМ спроектирована, изготовлена, смонтирована и введена в эксплуатацию вакуумная индукционная печь ВИАМ-2002 (рис. 1). Установка предназначалась для разработки новых композиций сплавов, исследования и разработки технологии их выплавки и поставки опытных партий новых сплавов на моторостроительные заводы.

 

Рисунок 1. Общий вид вакуумной индукционной печи ВИАМ-2002

 

За время эксплуатации установки ВИАМ-2002 с ее помощью проведены сотни плавок, что позволило разработать технологию выплавки никелевых жаропрочных сплавов для монокристаллического литья и обеспечить новыми материалами производство современных ГТД [9–12]. В этой вакуумной индукционной печи проводилась также разработка технологии выплавки жаропрочных никелевых сплавов с использованием до 100% литейных отходов, в том числе некондиционных [13]. Однако конструкция данной установки имеет целый ряд недостатков и уже не соответствует требованиям к современному вакуумному плавильному оборудованию:

  • установка периодического действия, т. е. после каждой плавки плавильная камера заполняется воздухом;
  • из-за ненадежной работы дозатора все присадки добавляют через загрузочную камеру;
  • система нагрева литниковой воронки с фильтром несовершенна [14];
  • отсутствует система замера окисленности расплава (определение содержания кислорода в расплаве);
  • отсутствует скребок для чистки стенок тигля после плавки;
  • рабочий вакуум при плавке находится в пределах 10-2–10-3 мм рт. ст. (1,33–0,133 Па), что не обеспечивает полную дегазацию расплава [15, 16].

Поэтому возникла необходимость приобретения для работ, проводимых в ВИАМ, новой вакуумной индукционной печи, у которой должны отсутствовать вышеуказанные недостатки.

В результате проведенных переговоров с представителями фирмы ALD Vacuum Technologies Gmbh (Германия) была согласована техническая спецификация и подписан контракт на поставку вакуумной индукционной печи VIM 12 III HMC для выплавки жаропрочных никелевых сплавов с емкостью тигля до 30 кг. Схема вакуумной индукционной печи VIM 12 III HMC представлена на рис. 2.

Установка VIM 12 III HMC полунепрерывного действия представляет собой двухкамерную горизонтальную конструкцию, в которой плавильная камера все время находится под вакуумом, а загрузка и выгрузка литейной оснастки в виде стальных труб осуществляется через камеру форм, отделенную от плавильной камеры вакуумным затвором.

Установка оснащена мощной высокопроизводительной вакуумной системой, состоящей из двух систем механических насосов (одна – для камеры плавления, другая – для камеры форм) и масляного бустерного насоса с номинальной всасывающей мощностью 4000 л/с. Вакуумная система позволяет обеспечить минимальную продолжительность вакуумирования для плавильной камеры и камеры форм, которая составляет не более 7 мин. Конечный вакуум в плавильной камере составляет не более 0,8 мкм рт. ст. (0,1 Па).

 

 

Рисунок 2. Схема вакуумной индукционной печи VIM 12 III HMC

 

В плавильной камере может размещаться керамический тигель емкостью 12 или 30 кг, в котором проводится плавка, с гидравлическим механизмом поворота тигля для заливки металла в трубу с внутренним диаметром 71 или 90 мм, закрепленную на тележке. Тележка перемещается по направляющим и используется для загрузки/выгрузки форм. После достижения соответствующего вакуума как в плавильной камере, так и в камере форм, вакуумный затвор открывается, и кассета перемещается в положение разливки.

В верхней части камеры форм расположен нагреватель сопротивления для нагрева промежуточного ковша (тандиша) с пенокерамическим фильтром до температуры 1000°С, который размещен сверху на трубной заготовке. После окончания нагрева тандиш перемещается через открытый вакуумный затвор из камеры форм в плавильную камеру для разливки.

Установка оборудована поворотным многоцелевым устройством револьверного типа, соединенным с крышкой камеры посредством вакуумного затвора, на котором размещены: камера загрузки с загрузочными корзинами или пробоотборником; дозатор в виде вертикальной трубы с двумя отделениями для дозагружаемых материалов; одноразовая термопара погружения в виде трубки или многоразовая платинородиевая термопара с защитным кварцевым колпачком. К адаптеру на конце штока может также крепиться измерительная трубка для одновременного замера активности кислорода в расплаве и температуры. При необходимости каждый из этих узлов устанавливается над загрузочным отверстием, после чего можно создавать вакуум с помощью общей вакуумной системы. На крышке плавильной камеры установлено устройство для осаживания шихты и скребок для чистки стенок тигля после слива металла.

Установка оснащена компьютерной системой, позволяющей управлять технологическим процессом. Блоки управления включают в себя устройства, необходимые для ввода и передачи команд, передачи сообщений о сбоях в системе, а также контроля и отображения на дисплее параметров состояния всех главных систем.

Система управления контролирует и фиксирует следующие параметры плавки:

  • текущее время;
  • давление остаточного воздуха во всех камерах печи;
  • значение мощности преобразователя тока;
  • значения температуры металла по ходу плавки;
  • предыдущее замеренное натекание по давлению;
  • текущее натекание по давлению;
  • значения ЭДС – при замере степени окисленности металла;
  • температура промежуточного ковша (тандиша);
  • другие необходимые параметры для контроля состояния печи.

Установка VIM 12 III HMC отвечает всем самым современным требованиям к вакуумному оборудованию и позволяет выплавлять в ней новые высокожаропрочные сплавы последнего поколения с ультравысокой чистотой по примесям серы, фосфора, кислорода, азота, углерода и др., со стабильным химическим составом по всем легирующим элементам и минимальным количеством шлаковых и неметаллических включений. Это позволит разработать новые эффективные технологические процессы выплавки сплавов и, тем самым, дополнительно повысить их механические свойства и технологичность при отливке деталей.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Сидоров В.В., Демонис И.М. Разработка монокристаллических высокорениевых жаропрочных никелевых сплавов методом компьютерного конструирования /В сб.: Авиационные материалы и технологии. Вып. Высокорениевые жаропрочные сплавы, технология и оборудование для производства сплавов и литья монокристаллических турбин-ных лопаток ГТД. М.: ВИАМ. 2004. С. 22–36.
2. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Бронфин М.Б., Алексеев А.А. Особенности монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, легированных рением //Металлы. 2006. №5. С. 47–57.
3. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Петрушин Н.В. Никелевые жаропрочные сплавы для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой. Ч. II //Материаловедение. 1997. №5. С. 14–16.
4. Каблов Е.Н., Сидоров В.В., Каблов Д.Е., Ригин В.Е., Горюнов А.В. Современные технологии получения прутковых заготовок из литейных жаропрочных сплавов нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 97–105.
5. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
6. Сидоров В.В., Ригин В.Е., Каблов Д.Е. Организация производства литых прутковых заготовок из современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов //Литейное производство. 2011. №10. С. 2–5.
7. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Сидоров В.В., Ригин В.Е. Производство литых прутковых (шихтовых) заготовок из современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов /В сб. трудов науч.-технич. конф., посвященной 310-летию уральской металлургии и созданию технико-внедренческого центра металлургии и тяжелого машиностроения. 2011. Т. 1. Екатеринбург: «Наука Сервис». 2011. С. 31–38.
8. Сидоров В.В., Ригин В.Е., Горюнов А.В., Каблов Д.Е. Высокоэффективные технологии и современное оборудование для производства шихтовых заготовок из литейных жаропрочных сплавов //Металлург. 2012. №5. С. 26–30.
9. Каблов Е.Н., Бондаренко Ю.А., Каблов Д.Е. Особенности структуры и жаропрочных свойств монокристаллов <001> высокорениевого никелевого жаропрочного сплава, полученного в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 25–31.
10. Каблов Е.Н., Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б., Сурова В.А. Развитие процесса направленной кристаллизации лопаток ГТД из жаропрочных сплавов с монокристаллической и композиционной структурой //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 3–8.
11. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Сидоров В.В., Ригин В.Е., Каблов Д.Е. Особенности технологии выплавки и разливки современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 68–78.
12. Герасимов В.В., Висик Е.М., Никитин В.А., Зернова М.Г. Опыт освоения технологии литья секторов сопловых лопаток с монокристаллической структурой из сплава ВКНА-4У //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 13–18.
13. Сидоров В.В., Ригин В.Е., Горюнов А.В., Мин П.Г., Каблов Д.Е. Получение Re-Ru содержащего сплава с использованием некондиционных отходов //Металлургия машиностроения. 2012. №3. С. 15–17.
14. Сидоров В.В., Исходжанова И.В., Ригин В.Е., Фоломейкин Ю.И. Оценка эффективности фильтрации при разливке сложнолегированного никелевого расплава с повышенным количеством отходов //Электрометаллургия. 2011. №11. С. 17–21.
15. Каблов Д.Е., Сидоров В.В., Мин П.Г. Влияние примеси азота на структуру монокристаллов жаропрочного никелевого сплава ЖС30-ВИ и разработка эффективных способов его рафинирования //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 32–36.
16. Каблов Д.Е., Чабина Е.Б., Сидоров В.В., Мин П.Г. Исследование влияния азота на структуру и свойства монокристаллов из литейного жаропрочного сплава ЖС30-ВИ //МиТОМ. 2013. №8. С. 3–7.
1. Kablov E.N., Petrushin N.V., Sidorov V.V., Demonis I.M. Razrabotka monokristallich-eskih vysokorenievyh zharoprochnyh nikelevyh splavov metodom komp'juternogo kon-struirovanija [Development of single-crystal superalloys vysokorenievyh nickel alloys by computer-aided design] /V sb.: Aviacionnye materialy i tehnologii. Vyp. Vysoko-renievye zharoprochnye splavy, tehnologija i oborudovanie dlja proizvodstva splavov i lit'ja monokristallicheskih turbinnyh lopatok GTD. M.: VIAM. 2004. S. 22–36.
2. Kablov E.N., Petrushin N.V., Bronfin M.B., Alekseev A.A. Osobennosti monokristalli-cheskih zharoprochnyh nikelevyh splavov, legirovannyh reniem [Features single-crystal high-temperature nickel alloys alloyed with rhenium] //Metally. 2006. №5. S. 47–57.
3. Kablov E.N., Svetlov I.L., Petrushin N.V. Nikelevye zharoprochnye splavy dlja lit'ja lopatok s napravlennoj i monokristallicheskoj strukturoj [Nickel superalloys for blades casting with directional and single-crystal structure]. Ch. II //Materialovedenie. 1997. №5. S. 14–16.
4. Kablov E.N., Sidorov V.V., Kablov D.E., Rigin V.E., Gorjunov A.V. Sovremennye tehnologii poluchenija prutkovyh zagotovok iz litejnyh zharoprochnyh splavov novogo pokolenija [Modern technologies for bar stock of casting superalloys new generation] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 97–105.
5. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [Strategic directions of development of materials and technolo-gies to process them for the period up to 2030] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
6. Sidorov V.V., Rigin V.E., Kablov D.E. Organizacija proizvodstva lityh prutkovyh zagotovok iz sovremennyh litejnyh vysokozharoprochnyh nikelevyh splavov [Organiza-tion of production of cast bar stock of modern casting nickel-base superalloys] //Litejnoe proizvodstvo. 2011. №10. S. 2–5.
7. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Sidorov V.V., Rigin V.E. Proizvodstvo lityh prutkovyh (shihtovyh) zagotovok iz sovremennyh litejnyh vysokozharoprochnyh nikelevyh splavov [Production of cast semifinished (of charge) of the modern casting blanks nickel-base superalloys] /V sb. trudov nauch.-tehnich. konf., posvjashhennoj 310-letiju ural'skoj metallurgii i sozdaniju tehniko-vnedrencheskogo centra metallurgii i tjazhelogo mashinostroenija. 2011. T. 1. Ekaterinburg: «Nauka Servis». 2011. S. 31–38.
8. Sidorov V.V., Rigin V.E., Gorjunov A.V., Kablov D.E. Vysokojeffektivnye tehnologii i sovremennoe oborudovanie dlja proizvodstva shihtovyh zagotovok iz litejnyh zharo-prochnyh splavov [Enabling technologies and modern equipment for production of charge billets casting superalloys] //Metallurg. 2012. №5. S. 26–30.
9. Kablov E.N., Bondarenko Ju.A., Kablov D.E. Osobennosti struktury i zharoprochnyh svojstv monokristallov <001> vysokorenievogo nikelevogo zharoprochnogo splava, poluchennogo v uslovijah vysokogradientnoj napravlennoj kristallizacii [Structure and properties of single crystals of high-temperature <001> vysokorenievogo nickel superal-loy prepared under the high-gradient directional crystallization] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №4. S. 25–31.
10. Kablov E.N., Bondarenko Ju.A., Echin A.B., Surova V.A. Razvitie processa naprav-lennoj kristallizacii lopatok GTD iz zharoprochnyh splavov s monokristallicheskoj i kompozicionnoj strukturoj [The development process of directional solidification of GTE blades with single crystal superalloys and composite structure] //Aviacionnye ma-terialy i tehnologii. 2012. №1. S. 3–8.
11. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Sidorov V.V., Rigin V.E., Kablov D.E. Osobennosti tehnologii vyplavki i razlivki sovremennyh litejnyh vysokozharoprochnyh nikelevyh splavov [Technology features modern smelting and casting casting nickel-base superal-loys] //Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». 2011. №SP2. S. 68–78.
12. Gerasimov V.V., Visik E.M., Nikitin V.A., Zernova M.G. Opyt osvoenija tehnologii lit'ja sektorov soplovyh lopatok s monokristallicheskoj strukturoj iz splava VKNA-4U [Experience in developing casting technology sectors vane with single-crystal structure of the alloy VKNA-4U] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №4. S. 13–18.
13. Sidorov V.V., Rigin V.E., Gorjunov A.V., Min P.G., Kablov D.E. Poluchenie Re-Ru soderzhashhego splava s ispol'zovaniem nekondicionnyh othodov [Preparation of Re-Ru-containing alloy using rejects] //Metallurgija mashinostroenija. 2012. №3. S. 15–17.
14. Sidorov V.V., Ishodzhanova I.V., Rigin V.E., Folomejkin Ju.I. Ocenka jeffektivnosti fil'tracii pri razlivke slozhnolegirovannogo nikelevogo rasplava s povyshennym kolich-estvom othodov [Evaluating the effectiveness of filtering in the casting of complex-nickel melt with an increased amount of waste] //Jelektrometallurgija. 2011. №11. S. 17–21.
15. Kablov D.E., Sidorov V.V., Min P.G. Vlijanie primesi azota na strukturu monokristal-lov zharoprochnogo nikelevogo splava ZhS30-VI i razrabotka jeffektiv-nyh sposobov ego rafinirovanija [Influence of nitrogen impurities on the structure of single-crystal superalloy nickel alloy ZHS30-VI and develop effective ways of refining its] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №2. S. 32–36.
16. Kablov D.E., Chabina E.B., Sidorov V.V., Min P.G. Issledovanie vlijanija azota na strukturu i svojstva monokristallov iz litejnogo zharoprochnogo splava ZhS30-VI [In-vestigation of the influence of nitrogen on the structure and properties of single crystals of cast superalloy ZHS30-VI] //MiTOM. 2013. №8. S. 3–7.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.