Плавильный тигель

Изобретение относится К металлургии и, в частности, К тиглям для плавки металлов И сплавов, например с использованием индукционного нагрева.Известен тигель, состоящий из внутренней и средней оболочки из тугоплавких окислов и наружного слоя из огнеупорной набивной массы 1.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является плавильный тигель, содержащий внутренний, средний и наружный слои тугоплавких материалов 2. Однако в известном тигле повь 1 щение термостойкости, трещиностойкости за счет создания тигля из тонких слоев технологически сложно и трудоемко из-за многослойности конструкции тигля.Задача изобретения - упрощение конструкции тигля, повыщение его металлоустойчивости и термостойкости, а также снижение стоимости путем исключения дорогостоящих компонентов из состава тигля.Это достигается тем, что в тигле, содержащем внутренний и средний слои, вь 1 полненнь 1 е из тугоплавких материалов, и наружный слой, выполненный из вь 1 сокоглиноземистого пористого материала, внутренний слой выполнен из корунда или нитрида кремния, или карбида кремния, или композиции на их основе, его относительная плотность составляет не менее 91 , а толщина - 0,15 ц, где ц - толщина высокопрочного среднего слоя, который выполнен из огнеупорного материала, стойкого к термоудару, и относительная плотность которого составляет не менее 71 , наружный слой выполнен с пористостью не менее 40 , а его толщина составляет 0,6 ц.На фигуре представлена схема конструкции предложенного тигля.Тигель состоит из трех слоев внутреннего - защитного покрытия 1 среднего - вь 1 сокопрочного огнеупорного, термостойкого корпуса 2 и наружного - пористого теплоизолятора 3.Сущность предлагаемой трехслойной конструкции тигля в отличие от 1-100-слойной состоит в использовании уникальных свойств оксидно-карбидно-нитриднь 1 х соединений в отдельности или композиций на их основе в комплексе при одновременном воздействии на материал трехслойной конструкции тигля термоударов, высоких температур, металлических расплавов, щлаков и агрессивных сред.Комплексное сочетание и использование индивидуальных эксплуатационных свойств и особенностей, присущих в отдельности каждому слою тигля, в совокупности реализуется в трехслойной конструкции за счет их высоких физико-механических, термомеханических,термодинамических свойств самих материалов, определяет простоту конструкции и технологию изготовления тигля, повыщает его термостойкость и металлоустойчивость к расплавам, обеспечивающей качество выплавляемых металлов и сплавов.Назначение и основные функции, выполняемые каждым слоем тигля при его эксплуатации, их характеристики.Слой 1 - защитное покрытие внутренней поверхности (полости) корпуса тигля. Защищает корпус тигля от воздействия металлических расплавов и обеспечивает его эксплуатационную стабильность. Обладает химической стойкостью к расплавам (металлоустойчивостью), не растворяясь, не воздействуя с ними при высоких температурах.В итоге слой 1 обеспечивает требуемое качество выплавляемых сплавов и защиту корпуса тигля от воздействия расплава, повыщая тем самым его термостойкость и срок службы.Экспериментально установлено, что оптимальная относительная плотность слоя 1 должна соответствовать 91 и больще и определяется в зависимости от требуемой чистоты и класса выплавляемых материалов. Например, для выплавляемых драгметаллов плотность слоя составляет 94 и выще.В качестве материалов высокоплотного защитного покрытия использовали углеродои графитосодержащие материалы, карбиды, нитриды и оксиды - в металлургии драгме В 110816 С 12008.06.30таллов, меди, алюминия И их сплавов корунд, кварц, Р-кристобалит, муллит, магнезить 1,хромить 1, шпинели, карборунд и их композиции - при плавлении нержавеющих и черных сталей корунд, оксид циркония стабилизированный, гаффонь 1, цирконь 1 - при плавке тугоплавких металлов и их сплавов (Тпл. 1850 С).Толщина слоя 1 определялась объемом и химическими свойствами (активностью или инертностью к защитным покрытиям) выплавляемых материалов, термостойкостью и термостабильностью структуры материала огнеупорного корпуса тигля, т.е. толщина слоя по величине должна соответствовать эксплуатационному ресурсу тигля по плавильным циклам до начала его разрушения и определялась из эксперимента по толщине стенки корпуса 1, которая составила 0,15 ц.Средний слой 2 - корпус тигля, который выполнен из высокопрочного, огнеупорного,термостойкого материала. Предназначен выдерживать высокотемпературную статическую нагрузку расплавленного металла. Должен обладать высокотемпературной прочностью, термостабильной структурой и огнеупорностью, высокой термостойкостью.В качестве основных материалов слоя 2 использовались оксид алюминия, кварц, магнезит, шпинели, оксид циркония, циркон, карборунд или композиции на их основе.Оксид алюминия использовался в виде плавленного корунда, глинозема. Обладает вь 1 сокой огнеупорностью (более 1800 С) и термостабильностью. Карборунд в виде карбида кремния электропроводен, термостабилен, обладает высокотемпературной прочностью. Последний в сочетании с оксидом алюминия образует композит с высокой прочностью,огнеупорностью и термостойкостью.Оксид циркония использовался в стабилизированной форме и в виде циркона, которые обладают огнеупорностью выше 2000 С. В сочетании с оксидом алюминия в виде композиции для слоя 2 использовали при изготовлении и эксплуатации тиглей выше 1850 С. Цирконы использовались в виде высокопрочной, высокоогнеупорной металлургической керамики и, в частности, для тиглей и литьевых форм.Толщина слоя 2 (ц) из перечисленных составов определялась из эксперимента в зависимости от высокотемпературной прочности материала корпуса, рабочей температуры тигля и величины гидростатического давления металлического расплава на стенку тигля.Относительная плотность материала корпуса, согласно серии экспериментов на тиглях,составляла 71 и выше.Наружный слой 3 - теплоизолятор, пористый, выполнен из оксидных соединений. Обеспечивает стабильный тепловой режим работы тигля, исключает резкие термоудары в материалах слоев 1 и 2. Предназначен для теплозащиты корпуса тигля. При резких колебаниях (перепадах) температур в материале тигля во время плавильных циклов слой 3 обеспечивает тепловую стабилизацию наружной поверхности корпуса по температуре,тем самым снижает термические напряжения в материале тигля, повышает его общую термостойкость и срок службы изделия. Для создания вышеуказанного эффекта пористость теплоизоляционного слоя 3 должна составлять не менее 40 . Требуемое значение пористости теплоизолятора достигается фракционным составом исходных порошков, гранулометрией и массовой долей органических выгорающих наполнителей.Обеспечение стабильного теплового режима работы трехслойного тигля, снижение термонапряжений в материале корпуса и повышение общей термостойкости при эксплуатации достигнуто высокопористым теплозащитным слоем 3, величина которого определялась экспериментально и рассчитывалась из соотношения 0,6 ц.Для установления эффективности применения на практике огнеупорных тиглей как металлоустойчивой, термостойкой трехслойной конструкции были изготовлены и испь 1 та В 110816 С 12008.06.30ны Изделия следующих размеров диаметр наружный - 70 мм Диаметр внутренний - 30 мм высота - 105 мм толщина слоев м 20 мм (фигура).В качестве расплавляемь 1 х металлов использовались медь, алюминий, кобальт, хромовые сплавы и хром. В зависимости от класса расплавляемого металла и величины температуры его плавления определялись материалы послойного композита тигля и их толщина в конструкции по следующим параметрам.Слой 1 - внутренний, защитный, выполнен на основе оксидных, нитридных, карбиднь 1 х соединений или композиций на их основе и при изготовлении должен обладать низкой пористостью и смачиваемостью металлическими расплавами быть максимально химически инертным к расплавам, не взаимодействуя и не растворяясь в них обладать коррозионно-эрозионной стойкостью и металлоустойчивостью к расплавам и окружающей газовой среде во время металлургических циклов, процессов иметь термостабильную структуру на протяжении всего температурно-временного режима эксплуатации (табл. 1).Таблица 1 Мате ТИПА С Слои Не 1 Не риал рабочая Материалы Относи- Толщи- Термостой- Характер п/п рас- темпера- И КОМПОЗИЦИИ тельная на по- кость, пла- взаимодейстплава тура, С На ИХ основе плот- крытия, вильные вия покрь 1 тиеность, г П, мм циклы расплавСи и щпинели, порощки ВЗЗИМОДВЙСТ 1 ее 10004200 плавленных оксидов, 85 034,5 ВИЯ ИЛИ Слабо спла- оксиды циркония, взаимодеиствы гафния, цирконы, вует. гаффоны, карбиды,нитриды, карбонитриды А 1 и карбид кремния,2 его 600750 нитриды алюминия, 91 1 О 25 5-16 спла- кремния, бора, гравы фитСлой 2 - средний, корпус тигля, несущий механическую, термостатическую и термодинамическую нагрузку. Обладает высокой огнеупорностью, жаропрочностью, инертностью к газовым средам, высокотемпературной прочностью, термостойкостью, имеет термостабильную структуру. Его эксплуатационные характеристики и составы представлены в табл. 2.Мате- Рабочая СЛОИ же 2 же риал ТеМПера Толщина Относи- Кол-во П/П рас Тура Материалы И композиции стенки тельная термоциклов,Плава ос на их основе корпуса, плот- 1300 С ц, мм ность, воздух Си И ее алюмосиликать 1, корунд, 1 сплавы 1000-1200 Б-кристобалит, муллит, маг- 2,5-7,5 75 незит, шпинели, цирконь 1Слой 3 - теплоизолятор, пористый, наружный, обеспечивающий стабильный тепловой режим работы тигля. Исключает резкие термоудары в первых двух слоях тигля. Состоит из оксидных соединений. Его эксплуатационные характеристики и составы представлены в табл. 3.Таблица 3 Слой Мг 3 Мате Температура Коэффициент же риал Теплоизолятора Толщина Относи- повыщения терП/П рас ПО ГОРИЗОН Материалы тепло- тельная мостойкости Пдава ТаЛЬНОМУ ее изолято- плот- двухслойных НИЮ Тигдяз С ра, мм ность, тиглей за счет пористого слояНа основании выполненных исследований поведения изделий с расплавами хрома,алюминия, кобальт-хромового сплава, меди (табл. 1-3) для трехслойных тиглей установленыоптимальные соотношения между слоями конструкции, определяющиеся через толщину стенки к высокопрочного, огнеупорного, термостойкого корпусадопустимые пределы относительной плотности и пористости слоевпредпочтительные классы материала слоев для плавления черных, цветных и драгметалловустановлены функциональное назначение и свойства каждого слоя при эксплуатации тиглейопределены термостойкость и число плавильных циклов для трехслойных тиглей