RU2194934C1 - Melting water-cooled crucible - Google Patents
Melting water-cooled crucible Download PDFInfo
- Publication number
- RU2194934C1 RU2194934C1 RU2001120114A RU2001120114A RU2194934C1 RU 2194934 C1 RU2194934 C1 RU 2194934C1 RU 2001120114 A RU2001120114 A RU 2001120114A RU 2001120114 A RU2001120114 A RU 2001120114A RU 2194934 C1 RU2194934 C1 RU 2194934C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crucible
- water
- cooled
- copper
- aluminum
- Prior art date
Links
- 238000002844 melting Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 230000008018 melting Effects 0.000 title claims abstract description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 26
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 5
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 5
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017767 Cu—Al Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000026058 directional locomotion Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Crucibles And Fluidized-Bed Furnaces (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плавильному оборудованию, а именно к конструктивным элементам вакуумно-дуговых гарнисажных печей, а также плазменно-дуговых и электронно-лучевых печей с холодным подом. The invention relates to smelting equipment, and in particular to structural elements of vacuum-arc skull furnaces, as well as plasma-arc and electron-beam cold-hearth furnaces.
Известен плавильный водоохлаждаемый тигель, содержащий металлический корпус с герметичными внутренними каналами охлаждения, корпус выполнен из биметаллических плит, полученных путем сварки взрывом медного слоя со слоем нержавеющей стали толщиной 10 мм. В полученной таким образом плите посредством направленного перемещения специальной фрезы формируются каналы охлаждения в медном слое. После формирования канала, в него вставляется компенсатор и приваривается к стальному слою (патент РФ 2166714) - прототип. Known melting water-cooled crucible containing a metal body with sealed internal cooling channels, the body is made of bimetallic plates obtained by explosion welding of a copper layer with a 10 mm thick stainless steel layer. In the plate thus obtained by means of directional movement of a special cutter, cooling channels are formed in the copper layer. After the channel is formed, a compensator is inserted into it and welded to the steel layer (RF patent 2166714) - a prototype.
В указанной конструкции регулировка тепловых процессов в тигле осуществляется в медном слое плиты за счет организации в ней герметичных водоохлаждаемых каналов, а стальной наружный слой применяется в конструкционных и технологических целях. Главным фактором, определяющим работоспособность тигля, является допустимая величина градиентов температур, которые в значительной мере определяются толщиной рабочей водохлаждаемой оболочки. При данной конструкции системы водоохлаждаемых каналов, при плавке титана, по расчетным и экспериментальным данным толщина медного слоя плиты не может быть менее 190-200 мм. Это в свою очередь накладывает ограничения на максимальные размеры заготовки медной плиты, т.к. при существующих технологических процессах получение слитка меди с массой более 10 т становится экономически неоправданным. При данном ограничении, а также с учетом припусков на мех. обработку биметаллических плит максимальная возможная рабочая площадь пода тигля не превышает 4 м2. Последнее обстоятельство не позволяет реализовать вариант конструкции тигля, имеющего размеры пода более указанной величины.In this design, the regulation of thermal processes in the crucible is carried out in the copper layer of the plate due to the organization of hermetic water-cooled channels, and the steel outer layer is used for structural and technological purposes. The main factor determining the efficiency of the crucible is the permissible value of temperature gradients, which are largely determined by the thickness of the working water-cooled shell. With this design of the system of water-cooled channels, during the melting of titanium, according to the calculated and experimental data, the thickness of the copper layer of the plate cannot be less than 190-200 mm. This, in turn, imposes restrictions on the maximum dimensions of the workpiece of a copper plate, because with existing technological processes, the production of a copper ingot with a mass of more than 10 tons becomes economically unjustified. With this limitation, as well as allowance for fur allowances. processing of bimetallic plates, the maximum possible working area of the crucible hearth does not exceed 4 m 2 . The latter circumstance does not allow to realize a design variant of the crucible having a hearth dimension larger than the indicated value.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является упрощение технологии изготовления гарнисажных водоохлаждаемых тиглей с рабочей площадью пода 4 м2 и более, снижение массы тигля, снижение затрат на изготовление тигля, повышение технологичности конструкции тигля.The problem to which this invention is directed is to simplify the manufacturing technology of skull water-cooled crucibles with a working hearth of 4 m 2 or more, reduce the weight of the crucible, reduce the cost of manufacturing the crucible, increase the manufacturability of the crucible design.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом плавильном водоохлаждаемом тигле, состоящем из упруго соединенных между собой биметаллических плит, содержащих внутренние герметические водоохлаждаемые каналы и компенсаторы, жестко присоединенные к наружной поверхности тигля, биметаллические плиты получены путем соединения медного и алюминиевого металлических слоев, а водоохлаждаемые каналы выполнены в алюминиевом слое. The problem is solved in that in the proposed water-cooled melting crucible, consisting of bimetallic plates resiliently interconnected, containing internal sealed water-cooled channels and expansion joints, rigidly attached to the outer surface of the crucible, bimetallic plates are obtained by connecting copper and aluminum metal layers, and water-cooled channels made in an aluminum layer.
Изобретение поясняется чертежом, где показано поперечное сечение плиты тигля с каналом системы охлаждения. Биметаллическая плита состоит из медного слоя 1 и алюминиевого слоя 2, в алюминиевом слое выполнены герметичные каналы 3, в которых установлены на сварке компенсаторы 4. The invention is illustrated in the drawing, which shows a cross section of a crucible plate with a channel of the cooling system. The bimetallic plate consists of a copper layer 1 and an aluminum layer 2, in the aluminum layer there are sealed
В предлагаемом варианте конструкции соединение между собой алюминиевого и медного слоя плиты выполнено посредством сварки взрывом. При этом технологический процесс сварки накладывает ограничения на толщину медного слоя. Чем меньше толщина, тем проще осуществить сварное соединение и, как следствие, меньше стоимость биметаллической плиты. Вместе с тем, поверхность медного слоя плиты подвергается воздействию теплового потока от гарнисажа, на этой поверхности имеют место максимальные температуры и максимальные градиенты температур. Из-за различной теплопроводности алюминия и меди возможна ситуация, при которой произойдет прогрев медного слоя плиты по всей толщине, а на поверхности сварного соединения появятся резкие градиенты температур. In the proposed design, the connection between the aluminum and copper layer of the plate is performed by explosion welding. Moreover, the welding process imposes restrictions on the thickness of the copper layer. The smaller the thickness, the easier it is to weld and, as a result, the cost of a bimetal plate is less. At the same time, the surface of the copper layer of the plate is exposed to the heat flux from the skull, on this surface there are maximum temperatures and maximum temperature gradients. Due to the different thermal conductivity of aluminum and copper, a situation is possible in which the copper layer of the plate warms up over the entire thickness, and sharp temperature gradients appear on the surface of the welded joint.
Теплофизические свойства алюминия и меди заметно отличаются друг от друга. Кроме того, для обоих материалов анализируемые свойства зависят от температуры. Материалы имеют различную температуру плавления, для меди Тпл= 1083oС, для алюминия Тпл=660oС. В таблице приведены теплофизические свойства меди и алюминия для различных температур.The thermophysical properties of aluminum and copper differ markedly from each other. In addition, for both materials, the analyzed properties depend on temperature. The materials have different melting points, for copper T pl = 1083 o C, for aluminum T pl = 660 o C. The table shows the thermophysical properties of copper and aluminum for different temperatures.
Табличные данные свидетельствуют о том, что для меди теплоемкость и теплопроводность уменьшается с увеличением температуры, а для алюминия напротив, обе рассматриваемые величины возрастают. Плотность меди и алюминия во всем приведенном интервале температур можно считать постоянной. The tabular data indicate that for copper, the heat capacity and thermal conductivity decrease with increasing temperature, and for aluminum, on the contrary, both considered values increase. The density of copper and aluminum over the entire temperature range can be considered constant.
Условиями нормальной работоспособности конструкции тигля следует считать:
- нагрев меди не выше 350oС,
- нагрев алюминия не выше 200oС, т.к. при более высоких температурах резко изменяются его механические и прочностные свойства.The conditions for normal operation of the crucible design should be considered:
- heating of copper not higher than 350 o C,
- heating of aluminum not higher than 200 o C, because at higher temperatures, its mechanical and strength properties sharply change.
Пример: Плавка в вакуумно-дуговой гарнисажной печи титанового сплава ВТ6. На основе имеющейся экспериментальной информации была определена величина максимального возможного теплового потока, его величина составила 110 кВт/м2 oC. На основе расчетных данных, позволяющих осуществить процесс сварки, полагалось, что толщина медного слоя равна 35 мм. Толщина биметаллической плиты - 200 мм, следовательно толщина алюминиевого слоя равняется 165 мм. Схема охлаждения последовательная. При расчете использован численный метод конечных элементов.Example: Melting in a vacuum-arc skull furnace of VT6 titanium alloy. Based on the available experimental information, the value of the maximum possible heat flux was determined, its value was 110 kW / m 2 o C. Based on the calculated data allowing the welding process, it was assumed that the thickness of the copper layer is 35 mm. The thickness of the bimetallic plate is 200 mm, therefore the thickness of the aluminum layer is 165 mm. The cooling circuit is sequential. In the calculation, a numerical finite element method was used.
Теплофизические свойства материалов в зависимости от температуры, приведенные в таблице, задавались непосредственно в качестве исходных данных в интервале температур между заданными экспериментальными значениями. Теплоемкость и теплопроводность материалов определялась путем линейной интерполяции. Относительная погрешность решения задачи равнялась 0,001. The thermophysical properties of materials depending on temperature, given in the table, were set directly as initial data in the temperature range between the given experimental values. The heat capacity and thermal conductivity of the materials was determined by linear interpolation. The relative error in solving the problem was 0.001.
Максимальная величина температуры на границе гарнисажа и медного слоя составляет 334,67oС и наблюдается в областях, примыкающих к границе плиты и наиболее удаленных от каналов охлаждения. На границе Cu-Al максимальное значение температуры составляет 195oС и не превышает температуру 200oС.The maximum temperature at the boundary of the skull and the copper layer is 334.67 o C and is observed in areas adjacent to the border of the plate and the most remote from the cooling channels. At the Cu-Al border, the maximum temperature is 195 o C and does not exceed a temperature of 200 o C.
Величина деформации в каждой точке отдельной плиты зависит от градиента температур, коэффициента линейной деформации, модуля упругости материала. Для уменьшения напряжений в элементах конструкции тигля целесообразно снизить величину градиента температур. Особый интерес представляет граница двух металлов, поскольку они обладают различными теплофизическими характеристиками, такими как теплопроводность, коэффициент линейного расширения и теплоемкость. Наличие большого градиента температур приведет к возникновению больших изгибающих напряжений в двух взаимно перпендикулярных направлениях, их величина равна:
σ = EαΔT,
где σ - эквивалентное напряжение;
Е - модуль продольной упругости;
α - коэффициент линейного расширения;
ΔТ - градиент температур.The magnitude of the deformation at each point of an individual plate depends on the temperature gradient, the coefficient of linear deformation, the elastic modulus of the material. To reduce stresses in the structural elements of the crucible, it is advisable to reduce the temperature gradient. The boundary of the two metals is of particular interest, since they have different thermophysical characteristics, such as thermal conductivity, linear expansion coefficient, and heat capacity. The presence of a large temperature gradient will lead to the appearance of large bending stresses in two mutually perpendicular directions, their value is equal to:
σ = EαΔT,
where σ is the equivalent stress;
E is the modulus of longitudinal elasticity;
α is the coefficient of linear expansion;
ΔТ - temperature gradient.
На границе:
σCu = ECuαCuΔTCu;
σAl = EAlαAlΔTAl.On the border:
σCu = ECuαCuΔTCu;
σAl = EAlαAlΔTAl.
Для меди: ЕСu=110 ГПа;
αCu = 16•10-6 1/град.For copper: ECu = 110 GPa;
αCu = 16 • 10 -6 1 / deg.
Для алюминия: ЕАl=70 ГПа при температуре 20oС;
EAl=58 ГПа при температуре 200oС;
αAl = 24,5•10-6 1/град.
Прочностные расчеты свидетельствует о том, что эквивалентные напряжения в алюминиевом слое плиты, за исключением отдельных узких зон, примыкающих к границе, находятся в интервале от 0 до 262 МПа. Для алюминиевого сплава В-95 предел текучести составляет 280 МПа, следовательно он может быть использован в конструкции плиты. В медном слое плиты максимальное значение эквивалентных напряжений составляет 3,50 МПа и наблюдается в отдельных, сравнительно небольших угловых зонах, что также не превышает допустимых значений.For aluminum: ЕАl = 70 GPa at a temperature of 20 o С;
EAl = 58 GPa at a temperature of 200 o C;
αAl = 24.5 • 10 -6 1 / deg.
Strength calculations indicate that the equivalent stresses in the aluminum layer of the plate, with the exception of individual narrow zones adjacent to the boundary, are in the range from 0 to 262 MPa. For the aluminum alloy B-95, the yield strength is 280 MPa, therefore it can be used in the construction of the plate. In the copper layer of the plate, the maximum value of equivalent stresses is 3.50 MPa and is observed in separate, relatively small angular zones, which also does not exceed permissible values.
Достоверность данной методики расчетов подтверждается совпадением расчетных значений температур и экспериментальными измерениями температур в процессе плавки на эксплуатируемом в настоящее время тигле, изготовленном из биметаллической плиты, состоящей из медного слоя толщиной 190 мм и стального слоя - 10 мм. The reliability of this calculation procedure is confirmed by the coincidence of the calculated temperature values and experimental temperature measurements during the melting process on the crucible currently in use, made of a bimetallic plate consisting of a copper layer 190 mm thick and a steel layer 10 mm.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001120114A RU2194934C1 (en) | 2001-07-18 | 2001-07-18 | Melting water-cooled crucible |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001120114A RU2194934C1 (en) | 2001-07-18 | 2001-07-18 | Melting water-cooled crucible |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2194934C1 true RU2194934C1 (en) | 2002-12-20 |
Family
ID=20251849
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001120114A RU2194934C1 (en) | 2001-07-18 | 2001-07-18 | Melting water-cooled crucible |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2194934C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103712442A (en) * | 2013-12-20 | 2014-04-09 | 邵宏 | Energy-saving vacuum double cavity holding furnace |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1279982A (en) * | 1969-11-09 | 1972-06-28 | Stanelco Thermatron Ltd | Improved crucible |
| US3734480A (en) * | 1972-02-08 | 1973-05-22 | Us Navy | Lamellar crucible for induction melting titanium |
| SU349320A1 (en) * | 1970-12-07 | 1977-10-05 | Институт Электросварки Им. Е.О. Патона Ан Украинской Сср | Electron-beam furnace |
| DE3141312A1 (en) * | 1981-10-17 | 1983-07-07 | Leybold-Heraeus GmbH, 5000 Köln | VACUUM ARC MELTING AND MOLDING OVEN WITH VACUUM CHAMBER AND TILTING JAR |
| EP0639749A1 (en) * | 1992-02-14 | 1995-02-22 | Ajax Magnethermic Corporation | A furnace refractory extraction system and method |
| RU2037544C1 (en) * | 1993-02-25 | 1995-06-19 | Акционерное общество открытого типа "Всероссийский институт легких сплавов" | Vacuum-arc lining slag furnace |
| RU2166714C1 (en) * | 2000-06-09 | 2001-05-10 | ОАО Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение | Water-cooled melting crucible |
-
2001
- 2001-07-18 RU RU2001120114A patent/RU2194934C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1279982A (en) * | 1969-11-09 | 1972-06-28 | Stanelco Thermatron Ltd | Improved crucible |
| SU349320A1 (en) * | 1970-12-07 | 1977-10-05 | Институт Электросварки Им. Е.О. Патона Ан Украинской Сср | Electron-beam furnace |
| US3734480A (en) * | 1972-02-08 | 1973-05-22 | Us Navy | Lamellar crucible for induction melting titanium |
| DE3141312A1 (en) * | 1981-10-17 | 1983-07-07 | Leybold-Heraeus GmbH, 5000 Köln | VACUUM ARC MELTING AND MOLDING OVEN WITH VACUUM CHAMBER AND TILTING JAR |
| EP0639749A1 (en) * | 1992-02-14 | 1995-02-22 | Ajax Magnethermic Corporation | A furnace refractory extraction system and method |
| RU2037544C1 (en) * | 1993-02-25 | 1995-06-19 | Акционерное общество открытого типа "Всероссийский институт легких сплавов" | Vacuum-arc lining slag furnace |
| RU2166714C1 (en) * | 2000-06-09 | 2001-05-10 | ОАО Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение | Water-cooled melting crucible |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| АНДРЕЕВ В.Л. и др. Титановые сплавы, плавка и литье титановых сплавов. М.: Металлургия, 1994, с. 184, рис.67. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103712442A (en) * | 2013-12-20 | 2014-04-09 | 邵宏 | Energy-saving vacuum double cavity holding furnace |
| CN103712442B (en) * | 2013-12-20 | 2015-06-10 | 邵宏 | Energy-saving vacuum double cavity holding furnace |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Satya Prasad et al. | Niobium and other high temperature refractory metals for aerospace applications | |
| EP0741853B1 (en) | Internal refractory cooler | |
| JP4482276B2 (en) | Cooling element | |
| NO329269B1 (en) | Oven dressing system, and method of making it | |
| US4752218A (en) | Ceramic composite material and a lining for metallurgical smelting furnaces wherein a ceramic composite material is used | |
| RU2194934C1 (en) | Melting water-cooled crucible | |
| JP2005534884A (en) | Cooling element | |
| CA2352638A1 (en) | Copper-nickel alloy for use in manufacturing containers for holding molten metals | |
| JP2003039179A (en) | Manufacturing method for composite member of high temperature material and the composite member | |
| KR101277112B1 (en) | Cooling element and method for manufacturing the same | |
| Rowe | The use of tantalum in the process industry | |
| Shields Jr et al. | Molybdenum: Alloys and emerging applications | |
| EP1064410B1 (en) | Wall structure for a metallurgical vessel and blast furnace provided with a wall structure of this nature | |
| JP2517857B2 (en) | Manufacturing method of austempered ductile cast iron | |
| Slovikovskii et al. | Efficient use of SHS materials on high-temperature equipment in nonferrous metallurgy | |
| CN100357455C (en) | Cooling element and method of manufacturing a cooling element | |
| US12042849B2 (en) | Casting ring for obtaining a product made of titanium alloy or a titanium-aluminum intermetallic alloy and method using same | |
| KR20050084441A (en) | Cooling element, particularly for furnaces, and method for producing a cooling element | |
| RU2358216C2 (en) | Melting crucible, water-cooled | |
| US5312697A (en) | Alloy overlay having thermal characteristics similar to those of a substrate | |
| NO771583L (en) | ELECTRIC OVEN. | |
| US5227120A (en) | Method for protecting austenitic stainless steels from solvent attack by molten magnesium by forming crucible and crucible | |
| RU147455U1 (en) | MELTABLE WATER COOLED COOLER | |
| RU1803447C (en) | Shape-metal copper-base alloy | |
| JPS62297464A (en) | Method for manufacturing sputtering target |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110719 |