Новые конструкции вакуумных камер печей для электронно-лучевой плавки
Рассмотрены новые принципы конструирования вакуумных камер, реализованные при создании электронно-лучевой печи ВТ02, предназначенной для производства слитков круглого и прямоугольного сечения из титана и титановых сплавов (цилиндрические слитки диаметром 640 и 825 мм, прямоугольные 190x1325, 250x1...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
| Schriftenreihe: | Современная электрометаллургия |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96190 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Новые конструкции вакуумных камер печей для электронно-лучевой плавки / Ю.В. Непорожный, О.Е. Собко-Нестерук, Н.В. Чайка, В.Н. Васюра, Н.Г. Третяк, И.Е. Горчинский, Т.И. Дубовая // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 1 (102). — С. 54-56. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96190 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-961902025-02-09T22:28:21Z Новые конструкции вакуумных камер печей для электронно-лучевой плавки New designs of vacuum chamber of furnaces for electron beam melting Непорожный, Ю.В. Собко-Нестерук, О.Е. Чайка, Н.В. Васюра, В.Н. Третяк, Н.Г. Горчинский, И.Е. Дубовая, Т.И. Информация Рассмотрены новые принципы конструирования вакуумных камер, реализованные при создании электронно-лучевой печи ВТ02, предназначенной для производства слитков круглого и прямоугольного сечения из титана и титановых сплавов (цилиндрические слитки диаметром 640 и 825 мм, прямоугольные 190x1325, 250x1325, 420x1325 мм длиной до 5,5 м). Considered are the new principles of designing of vacuum chambers, realized in the development of electron beam furnace VT02, designed for producing ingots of round and rectangular section of titanium and titanium alloys (cylindrical ingots of 640 and 825 mm diameters, rectangular ingots of 190x1325, 250x1325, 420x1325 mm and length of up to 5.5 m). 2011 Article Новые конструкции вакуумных камер печей для электронно-лучевой плавки / Ю.В. Непорожный, О.Е. Собко-Нестерук, Н.В. Чайка, В.Н. Васюра, Н.Г. Третяк, И.Е. Горчинский, Т.И. Дубовая // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 1 (102). — С. 54-56. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96190 669.187.826.05 ru Современная электрометаллургия application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Информация Информация |
| spellingShingle |
Информация Информация Непорожный, Ю.В. Собко-Нестерук, О.Е. Чайка, Н.В. Васюра, В.Н. Третяк, Н.Г. Горчинский, И.Е. Дубовая, Т.И. Новые конструкции вакуумных камер печей для электронно-лучевой плавки Современная электрометаллургия |
| description |
Рассмотрены новые принципы конструирования вакуумных камер, реализованные при создании электронно-лучевой печи ВТ02, предназначенной для производства слитков круглого и прямоугольного сечения из титана и титановых сплавов (цилиндрические слитки диаметром 640 и 825 мм, прямоугольные 190x1325, 250x1325, 420x1325 мм длиной до 5,5 м). |
| format |
Article |
| author |
Непорожный, Ю.В. Собко-Нестерук, О.Е. Чайка, Н.В. Васюра, В.Н. Третяк, Н.Г. Горчинский, И.Е. Дубовая, Т.И. |
| author_facet |
Непорожный, Ю.В. Собко-Нестерук, О.Е. Чайка, Н.В. Васюра, В.Н. Третяк, Н.Г. Горчинский, И.Е. Дубовая, Т.И. |
| author_sort |
Непорожный, Ю.В. |
| title |
Новые конструкции вакуумных камер печей для электронно-лучевой плавки |
| title_short |
Новые конструкции вакуумных камер печей для электронно-лучевой плавки |
| title_full |
Новые конструкции вакуумных камер печей для электронно-лучевой плавки |
| title_fullStr |
Новые конструкции вакуумных камер печей для электронно-лучевой плавки |
| title_full_unstemmed |
Новые конструкции вакуумных камер печей для электронно-лучевой плавки |
| title_sort |
новые конструкции вакуумных камер печей для электронно-лучевой плавки |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Информация |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96190 |
| citation_txt |
Новые конструкции вакуумных камер печей для электронно-лучевой плавки / Ю.В. Непорожный, О.Е. Собко-Нестерук, Н.В. Чайка, В.Н. Васюра, Н.Г. Третяк, И.Е. Горчинский, Т.И. Дубовая // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 1 (102). — С. 54-56. — рос. |
| series |
Современная электрометаллургия |
| work_keys_str_mv |
AT neporožnyiûv novyekonstrukciivakuumnyhkamerpečeidlâélektronnolučevoiplavki AT sobkonesterukoe novyekonstrukciivakuumnyhkamerpečeidlâélektronnolučevoiplavki AT čaikanv novyekonstrukciivakuumnyhkamerpečeidlâélektronnolučevoiplavki AT vasûravn novyekonstrukciivakuumnyhkamerpečeidlâélektronnolučevoiplavki AT tretâkng novyekonstrukciivakuumnyhkamerpečeidlâélektronnolučevoiplavki AT gorčinskiiie novyekonstrukciivakuumnyhkamerpečeidlâélektronnolučevoiplavki AT dubovaâti novyekonstrukciivakuumnyhkamerpečeidlâélektronnolučevoiplavki AT neporožnyiûv newdesignsofvacuumchamberoffurnacesforelectronbeammelting AT sobkonesterukoe newdesignsofvacuumchamberoffurnacesforelectronbeammelting AT čaikanv newdesignsofvacuumchamberoffurnacesforelectronbeammelting AT vasûravn newdesignsofvacuumchamberoffurnacesforelectronbeammelting AT tretâkng newdesignsofvacuumchamberoffurnacesforelectronbeammelting AT gorčinskiiie newdesignsofvacuumchamberoffurnacesforelectronbeammelting AT dubovaâti newdesignsofvacuumchamberoffurnacesforelectronbeammelting |
| first_indexed |
2025-12-01T10:39:16Z |
| last_indexed |
2025-12-01T10:39:16Z |
| _version_ |
1850302064187408384 |
| fulltext |
УДК 669.187.826.05
НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ВАКУУМНЫХ КАМЕР ПЕЧЕЙ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЛАВКИ
Ю. В. Непорожный, О. Е. Собко-Нестерук, Н. В. Чайка,
В. Н. Васюра, Н. Г. Третяк,
И. Е. Горчинский, Т. И. Дубовая
Рассмотрены новые принципы конструирования вакуумных камер, реализованные при создании электронно-лучевой
печи ВТ02, предназначенной для производства слитков круглого и прямоугольного сечения из титана и титановых
сплавов (цилиндрические слитки диаметром 640 и 825 мм, прямоугольные 190 1325, 250 1325, 420 1325 мм
длиной до 5,5 м).
Considered are the new principles of designing of vacuum chambers, realized in the development of electron beam furnace
VT02, designed for producing ingots of round and rectangular section of titanium and titanium alloys (cylindrical ingots
of 640 and 825 mm diameters, rectangular ingots of 190 1325, 250 1325, 420 1325 mm and length of up to 5.5 m).
Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевая печь; вакуум-
ная камера; оболочка; несущая способность; металлоем-
кость; вакуумная диагностика; вакуумная плотность
Входящие в состав электронно-лучевой печи ваку-
умные камеры для плавки, вытягивания слитка,
загрузки и подачи шихты являются наиболее важ-
ными и трудоемкими узлами как в период разра-
ботки конструкторской документации, так и в про-
цессе изготовления, испытаний, наладки и монта-
жа. Конструкторские решения каждой из упомяну-
тых вакуумных камер должны учитывать ряд спе-
цифических требований, от которых зависит обес-
печение требуемых параметров печи и нормальное
функционирование всех узлов, механизмов, энер-
гетического комплекса, систем управления в про-
цессе эксплуатации. При этом также необходимо
гарантировать безопасные условия работы об-слу-
живающего персонала в период изготовления, ис-
пытаний, наладки, монтажа и эксплуатации.
Среди основных требований, предъявляемых к
конструкциям вакуумных камер, можно выделить
следующие:
размеры, форму, сечения вакуумных камер сле-
дует выбирать из условий рационального размеще-
ния механизмов, узлов и удобства их обслужива-
ния, загрузки заданного количества шихты, мини-
мизации откачиваемых объемов;
вакуумные камеры должны характеризоваться
необходимыми значениями механической прочнос-
ти стенок и заданной жесткостью;
конструкция вакуумных камер и толщина их сте-
нок должны соответствовать требованиям биологи-
ческой защиты персонала от воздействия рентгенов-
ского излучения, возникающего при торможении
ускоренных электронов в материале расплавляемой
заготовки;
вакуумные камеры должны быть безопасными
для обслуживающего персонала в случае аварийно-
го отключения электропитания или выхода из строя
системы охлаждения и остановки электронно-луче-
вой печи;
вакуумные камеры необходимо снабжать быстро-
действующими устройствами надежной герметизации
в местах вакуумных разъемов (крышек, дверей);
в конструкцию вакуумных камер следует вклю-
чить оперативную систему поиска течей для диаг-
ностики ответственных вакуумных разъемов (кры-
шек, дверей, плиты электронно-лучевых пушек,
вакуумных камер – плавильной и слитка).
Коллективом МК «АНТАРЕС» разработана
электронно-лучевая печь ВТ02 нового поколения с
установленной мощностью электронно-лучевых пу-
шек 3,2 МВт, годовой производительностью по ти-
тану до 3000 т. В этой разработке реализованы все
упомянутые современные требования, предъявляе-
мые к конструкциям вакуумных камер электронно-
лучевых печей.
Форма сечений вакуумных камер подачи шихты
выбрана прямоугольной формы с размерами
1000 1560 мм, что позволило вписать в него фрон-
ты плавления 700 1020 мм, превышающие площа-
ди фронтов плавления предшествующих печей при-
мерно в 1,5 раза. Следует также отметить, что дан-
ная форма сечения и его размеры дают возможность
© Ю. В. НЕПОРОЖНИЙ, О. Е. СОБКО-НЕСТЕРУК, Н. В. ЧАЙКА, В. Н. ВАСЮРА, Н. Г. ТРЕТЯК,
И. Е. ГОРЧИНСКИЙ, Т. И. ДУБОВАЯ
54
максимально рационально скомпоновать механизм
подачи шихты с ходом до 5700 мм и вместимостью
шихты до 8 т в каждой вакуумной камере. Вмести-
мость шихты превышает показатели вакуумных ка-
мер подачи шихты существующих электронно-лу-
чевых печей до 1,6 раза.
Все вакуумные камеры электронно-лучевой печи
характеризуются необходимой механической проч-
ностью стенок и минимальными затратами металла
для их изготовления, что достигнуто за счет исполь-
зования опыта проектирования вакуумных камер
установок для электронно-лучевой сварки, где обос-
нован выбор расчетных параметров сечений стенки и
коробчатого сечения силового набора*. Соотношения
геометрических параметров, экономических и массо-
вых показателей приводятся в таблице.
Повышенная жесткость стенок камер необходи-
ма в случае монтажа на них прецизионных меха-
низмов (подачи шихты, вытягивания слитка). Де-
формации стенок вакуумных камер под действием
атмосферного давления могут быть разными и по-
этому смещения (линейные, угловые) элементов ме-
ханизмов, базирующихся на них, должны соответ-
ствовать требованиям к точности их работы. Так,
механизмы подачи и вытягивания слитков элект-
ронно-лучевой печи ВТ02 могут стабильно работать
при максимальных деформациях до 0,8 мм на длине
ходов толкателей шихты и траверсы поддона, рав-
ной 6550 мм.
Толщина стенок вакуумных камер должна соот-
ветствовать требованиям биологической защиты
персонала, согласно нормам радиационной безопас-
ности (НРБ) от воздействия рентгеновского излу-
чения, возникающего при торможении ускоренных
электронов на поверхности обогрева. В вакуумных
камерах электронно-лучевой печи ВТ02 выбрана
суммарная толщина стенок, равная 22…24 мм, что
соответствует нормам НРБ при ускоряющем нап-
ряжении на катоде электронно-лучевых пушек, дос-
тигающем 50 кВ.
В случае отключения электропитания и выхода
из строя системы охлаждения и остановки элект-
ронно-лучевой печи представляет опасность разгер-
метизация вакуумных разъемов (плиты пушек,
крышек вакуумных камер подачи шихты, вакуум-
ной камеры плавки, всевозможных патрубков ваку-
умной системы) вследствие теплового разрушения
резиновых и синтетических уплотнений, что может
вызвать взрыв паромасляных насосов и возгорание
шихты титана или титановых сплавов.
Для предотвращения развития таких нежела-
тельных явлений все стенки вакуумных камер печи
ВТ02 имеют большое расстояние между внутренней
и внешней оболочками, которое позволяет обеспе-
чить большие объемы, заполненные водой. Объем
вакуумных камер печи ВТ02 составляет примерно
14 м3; масса камер – около 36 т.
Проведем оценку температуры охлаждающей
воды в случае отказа системы охлаждения. Коли-
чество тепла, аккумулированное водой и массой
всех камер QΣ(1+2), можно определить из следую-
щего соотношения:
QΣ(1+2) = M1C1τ75 °C+ M2C2τ75 °C = 5,65⋅109Дж,
где M1 – масса воды (14 000 000 г); M2 – масса
камер (36 000 000 г); τ75 °C – максимально допус-
тимая разница значений температуры воды от 100 °С
до начальной на входе в вакуумные камеры 25 °С,
которая обеспечивает сохранность уплотнений
вакуумных разъемов и их герметичность в момент
отключения электропитания и выхода из строя сис-
*Назаренко О. К., Нестеренков В. М., Непорожний Ю. В. Конструирование и электронно-лучевая сварка вакуумных камер //
Автомат. сварка. – 2001. – № 6. – С. 50—52.
Технико-экономические показатели вакуумных камер при различных сечениях их стенок
Тип сечения
Расчетный элемент стенки
вакуумной камеры
Расчетный момент
инерции, см
2
Максимальный расчетный
прогиб, мм
Удельная
металлоемкость, т/м
3
П-образное 7560 0,84 1,12
Коробчатое 17515 0,36 0,85
55
темы охлаждения печи; C1 – средняя теплоемкость
воды (4,19 Дж/г); C2 – средняя теплоемкость ста-
ли (0,46 Дж/г).
Значение QΣ(1+2) должно быть равным или нем-
ного меньшим (но не более, чем на 10 %, с учетом
охлаждения вакуумных камер атмосферой цеха)
уровня теплосодержания Q3 разогретого слитка
массой 10 т в момент обесточивания печи или вы-
хода из строя системы охлаждения. Теплосодержа-
ние Q3 разогретого слитка будет следующим:
Q3 = M3C3τср.сл = 5,95⋅109 Дж,
где M3 – масса разогретого слитка (10 000 000 г);
C3 – средняя теплоемкость титана и его сплавов
(0,7 Дж/г); τср.сл – среднее значение температуры
слитка в момент обесточивания печи или выхода из
строя системы охлаждения, равное 850 °С при массе
слитка 10 000 000 г. С учетом приведенного расчета
и сравнения значений QΣ(1+2) и Q3 можно заключить,
что электронно-лучевая печь ВТ02 безопасна при
аварийном отключении электропитания или в слу-
чае выхода из строя системы охлаждения.
Следует также отметить, что повышению надеж-
ности и безопасности эксплуатации печи ВТ02 спо-
собствует применение быстродействующих вакуум-
ных затворов паромасляных вакуумных насосов,
время срабатывания которых составляет 1…2 с.
Вакуумные камеры электронно-лучевой печи
ВТ02 снабжены устройствами для быстрой и надеж-
ной герметизации всех вакуумных разъемов (крыш-
ки, плита пушек, двери), связанных с ее загрузкой
или обслуживанием механизмов в процессе эксплу-
атации. Скорость и надежность герметизации дос-
тигнуты за счет отказа от традиционных зажимных
устройств (прижимных болтов, винтов, махови-
ков), на использование которых затрачивается мно-
го времени. При этом не гарантируется вакуумная
плотность сопрягаемых поверхностей. Первона-
чальный прижим дверей, крышек, плиты пушек ре-
ализуется благодаря наличию прижимных роликов,
многофункциональных направляющих, клиньев и
подвесок перемещения, обеспечивающих хорошее
прилегание сопрягаемых и уплотняемых поверх-
ностей. Окончательный прижим реализуется за счет
атмосферного давления в процессе откачки. При-
мером может служить устройство двери вакуумной
камеры подачи шихты (рис. 1).
С целью обеспечения оперативной диагностики
ответственные вакуумные разъемы электронно-лу-
чевой печи ВТ02 снабжены системами поиска ваку-
умных течей. Типичный пример использования этих
систем (применительно к вакуумному разъему за-
грузки в вакуумной камере подачи шихты) изображен
на рис. 2, где через отверстие во фланце А вакуумной
камеры контролируются все сварные швы от нате-
кания воздуха атмосферы по его периметру.
Реализация новых конструкторских решений,
удовлетворяющих указанным требованиям, позво-
лила разработать и изготовить электронно-лучевую
печь, существенно отличающуюся от существую-
щих по технико-экономическим показателям.
Так, вакуумные камеры печи ВТ02 имеют мень-
шую в 1,5 раза металлоемкость (от 90 масса снизи-
лась до 65 т). Соответственно уменьшилась трудо-
емкость и стоимость их изготовления. Сокращение
откачиваемого объема вакуумных камер печи от 95
до 62 м3 позволит уменьшить время достижения ра-
бочего вакуума примерно в 1,5 раза, что даст воз-
можность повысить производительность работы пе-
чи в целом.
Следует также отметить, что несмотря на дос-
тигнутые уменьшение массы и размеров, произво-
дительность электронно-лучевой печи ВТ02 увели-
чится, в сравнении с ВТ01, от 2500 до 3000 т в год
по титану. Тоннаж выплавляемых слитков увели-
чится от 10 000 до 14 000 кг, длина слитков – от
4,0 до 5,5 м.
МК «АНТАРЕС», Киев
Поступила 26.07.2010
Рис. 2. Конструкция фланца камеры подачи шихты для контроля
вакуумной плотности сварных швов; А – отверстие во фланце
вакуумной камеры
Рис. 1. Конструкция устройства для перемещения и гермети-
зации технологической двери камеры подачи шихты
56
|