CN101954475B - 一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备 - Google Patents

Abstract

本发明的液态金属冷却定向凝固设备，包括铸型加热保温炉、陶瓷铸型、激冷托盘、抽拉托架、容器、浮动隔热挡板、第一搅拌装置、第二搅拌装置和搅拌装置驱动机构。在铸型加热保温炉内设有上、下加热区，陶瓷铸型装设在铸型加热保温炉内，激冷盘与陶瓷铸型连接，并由抽拉托架带动上、下移动。容器设置在铸型加热保温炉下方，内装有液态金属锡，在液态金属锡液面上设有浮动隔热挡板。在容器内对称设置有能上升或下降的第一搅拌装置和第二搅拌装置。本发明解决了液态金属锡的溢流问题，并避免了液态金属锡液面上升与加热炉接触；由于搅拌装置能上、下移动，加快了液态金属锡的换热，使液态金属锡温度均匀。

Description

一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备

技术领域

本发明涉及一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备，尤其是适用于制造大型燃气轮机柱晶叶片的定向凝固设备的锡锅搅拌装置。

背景技术

由于航空、航天和地面燃气轮机发电技术的发展，这些领域所使用的动力机械燃气轮机的涡轮前燃气进口温度不断提高，要求涡轮叶片耐温能力不断增加。而定向及单晶叶片由于消除了垂直于应力轴横向晶界，晶向和作用于叶片的应力方向平行，断绝了失效在垂直于应力方向的晶粒边界发生的根源，耐温能力明显提高，具有更好的纵向机械性能，能够在高温燃气的恶劣环境中长时间工作。

众所周知，利用定向凝固方法可以制造定向及单晶铸件，消除横向晶界或完全消除晶界。单晶或定向凝固柱状晶铸件与常规的多晶铸件的主要区别在于消除了方向不同和方向任意的晶粒之间的边界，使整个铸件为<001>或<111>晶向，非常适宜于燃气轮机对叶片的工况要求。

目前广泛应用的定向凝固法是“高速凝固(high rate solidification，简称HRS)法”。图1为其示意图。但是HRS法制备大尺寸的定向凝固铸件存在温度梯度低的缺点。液态金属冷却法(liquid metal cooling，简称LMC法)”以低熔点液态金属作为冷却区域的冷却介质，液态金属冷却在铸型表面的传热速率比辐射冷却的传热速率高得多，铸件散热大大增强，温度梯度和凝固速率较高，克服了HRS技术定向凝固温度梯度低且不稳定的问题。获得的铸件组织细密、缺陷较少。

采用液态金属冷却，铸型从加热保温炉拉出浸入液体冷却介质的过程中，会带来以下三个问题：

1.排开液态金属熔池表面的浮动隔热挡板，造成浮动隔热挡板的堆积，保温效果降低，而且保温温度不均；

2.使铸型周围的液态金属冷却介质温度急剧升高，降低传热效果和铸型中合金凝固前沿的温度梯度；

3.造成液态金属冷却介质液面上升，进入保温炉，损坏加热元件，造成液态冷却介质挥发。

对于这些问题以前的工艺都未解决。例如俄罗斯和美国共有专利(专利号：US 6715534 B1)叙述了一种生产定向凝固铸件的方法设备，使用锡作为冷却介质，生产的铸件质量良好，但是此设备没有搅拌装置，液态金属锡的温度不均衡。美国专利(专利号：US5988257)披露了一种用于熔融液定向凝固的方法和设备，该设备采用了浮动隔热挡板，设有搅动装置来搅动浮动隔热挡板，搅动装置可在水平方向直线移动，定向抽拉过程中不会造成浮动隔热挡板的堆积。但是此搅动装置不能搅拌液态金属冷却介质。中国专利(专利号：CN 2808362Y)披露了一种生产定向凝固铸件的设备，此设备只能搅拌液态金属锡，而不能搅动浮动隔热挡板。美国专利(专利号：US6446701 B1)披露了一种适于铸造航空发动机和工业燃气轮机部件的定向凝固装置，该装置采用液态金属冷却，铸件拉拔过程中由于铸型浸入排出的液态金属通过设在金属锅上的溢流口流入到预热的容器中，拉拔结束后，倾转预热容器，使里面的液态金属流回到金属锅中。此种工艺方法解决了液面升高溢流问题，但是需要附加装置，预热容器需要经常倾转，操作复杂。美国专利(专利号：US6085827)直接把冷却介质加满容器，液体就不会上升进入加热室，而是直接从容器上面流出落入炉子底面的接收容器中，进行下一次铸造前向容器中补加相同质量的固体冷却介质，并熔化。这种方法操作繁琐，延长了生产周期。

发明内容

本发明的目的，是提供一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备，能加快液态金属锡的换热，使液态金属锡温度均匀，并解决了液态金属锡的溢流问题。

采用的技术方案是：

一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备，包括铸型加热保温炉、陶瓷铸型、激冷托盘、抽拉托架、浮动隔热挡板、不锈钢容器、第一搅拌装置、第二搅拌装置和搅拌装置驱动机构。

铸型加热保温炉内设置有陶瓷铸型，陶瓷铸型固定在激冷托盘上，激冷托盘固定连接提拉托架。在所述铸型加热保温炉的下部内壁上固定设置有环形隔热挡板，环形隔热挡板将铸型加热保温炉内分隔成上加热区和下加热区，在上加热区内设置有第一加热器，在下保温区内设置有第二加热器。第一加热器使上加热区温度保持在1500-1550℃，第二加热器使下加热区温度保持在1550-1650℃。在所述铸型加热保温炉下方设置有液态金属盛装容器，该容器的内径上大下小，从而解决了液态金属锡的溢流问题。容器内盛装液态金属锡，在液态金属锡上面有浮动隔热挡板。在所述容器底的外壁中心处固定连接有升降轴，在动力驱动下能使液态金属盛装容器按设定速度上、下移动。第一搅拌装置和第二搅拌装置对称地设置在液态金属盛装容器内，所述搅拌装置驱动机构，包括主动链轮、第一链轮、第二链轮、第三链轮、、第四链轮、第五链轮、第六链轮、第一导筒、第二导筒、第一带键转轴和第二带键转轴。第一搅拌装置的转轴上端与第三链轮的轮轴固定连接，第二搅拌装置的转轴与第六链轮的轮轴固定连接，第一导筒和第二导筒下端分别与第一链轮、第四链轮固定连接。第一带键转轴和第二带键转轴分别装设在第一导筒和第二导筒内。主动链轮通过第一链条与第一链轮和第四链轮联结，第二链轮与第三链轮通过第二链条联结。第五链轮和第六链轮通过第三链条联结。

所述第一和第二搅拌装置的升降由升降轴控制。

在真空环境中熔炼坩埚(图中未示出)中的高温合金，并过热100～150℃，倾转坩埚。合金熔体在漏斗的引流作用下，流入在加热保温炉中预热的固定于激冷托盘上的铸型，加热保温炉的上加热区保温温度1500～1550℃，由第一加热器控制，下加热区保温温度1550～1650℃，由第二加热器控制，上下加热区由隔热挡板分开。合金熔体在铸型中静置一段时间之后，固定在托盘上的铸型连同固定在两个定向抽拉轴上的托架，在定向抽拉轴的带动下以一定的速度向下移动，逐渐进入液态金属锡熔池，液态金属吸收铸型的热量，从而吸收高温合金传向铸型的热量，达到冷却铸型和里面的高温合金熔体的目的，这样就会在高温合金凝固界面前沿形成很高的温度梯度，实现铸件的定向和单晶生长。

铸型进入液态金属锡时，会造成浮动隔热挡板的堆积，这时可启动搅动装置，搅动浮动隔热挡板使其均匀的覆盖在液态金属锡的表面，阻止了来自加热保温炉的热辐射。把堆积的浮动挡板搅动均匀后就可以向下移动搅动装置，搅拌液态金属锡，保持液态金属锡的温度均匀。

随着铸型的下降，浸入到液态金属锡中的铸型体积逐渐增大，液态金属锡的液面上升，容器在预先设置好的程序控制下可以分阶段下降，避免了液态金属锡和加热保温炉接触。容器的内径上大下小，很好的解决了液态金属锡的液面升高溢流问题。

搅拌装置的转动是通过链条带动链轮转动，链轮带动导向筒旋转，进而使带键转轴旋转，带键转轴带动链轮转动，最终使叶轮旋转。搅拌装置的升降是通过升降轴的上升和下降带动带键转轴在导向筒中上下移动实现的。

搅拌装置可在竖直轴线方向上下移动，既可搅拌低熔点液态金属锡也可搅拌浮动挡板，使浮动挡板均匀的覆盖在液态金属锡表面。

该设备的优点是：

1、搅拌装置可上下移动，既可搅拌低熔点液态金属锡，加快液态金属锡的换热，使液态金属锡温度均匀，也可搅动浮动隔热挡板，使浮动隔热挡板均匀的覆盖在液态金属锡表面；

2、盛放液态金属锡的容器内径上大下小，解决了液态金属锡的溢流问题。拉拔过程中液态金属锡的位移可以分阶段程序控制，避免了液态金属锡液面上升与加热保温炉接触。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

具体实施方式

一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备，包括铸型加热保温炉5、陶瓷铸型4、激冷托盘2、抽拉托架3、容器14、浮动隔热挡板9、第一搅拌装置12、第二搅拌装置19和搅拌装置驱动机构；

所述铸型加热保温炉5内壁上固定有环形隔热挡板7，环形隔热挡板7将铸型加热保温炉5的内部空间分隔成上加热区20和下加热区21，在上加热区20内设置第一加热器6，第一加热器6工作时将上加热区20内加热至1500-1550℃，并保持在1500-1550℃；在下加热区21内设置第二加热器8，第二加热器8将下加热区21内加热至1550-1650℃；

陶瓷铸型4装设在铸型加热保温炉5内，其下端固定在激冷托盘2上，激冷托盘2与抽拉托架3固定连接，抽拉托架3能带动陶瓷铸型4和激冷托盘2向下移动进入溶池，抽拉托架3的下端固定在第一升降板39上，第一升降板39的上升和下降由液压系统40驱动控制，从而实现抽拉托架3的上升和下降，第一导向轴46和第二导向轴13保证第一升降板39在竖直方向移动；在铸型加热保温炉5的下方设置有容器14，所述容器14为内径上大下小的不锈钢容器；在所述容器底壁的外端面上固定有升降轴18；

在容器14内对称设置有第一搅拌装置12和第二搅拌装置19；

所述搅拌装置驱动机构，包括主动链轮22、第一链轮17、第二链轮24、第三链轮25、第四链轮26、第五链轮27、第六链轮28、第一导筒16、第二导筒30、第一转轴15和第二转轴31；所述主动链轮22通过第一链条1与第一链轮17和第四链轮26联结；第二链轮24与第三链轮25通过第二链条23联结；第五链轮27和第六链轮28通过第三链条32联结；第一导筒16下端与第二链轮24的上端面固定连接，第一导筒16壁上设有滑槽，第一转轴15装设在第一导筒16内，第一转轴15上端与第二链轮24固定连接，第一转轴15上有第一键29，第一键29插入第一导筒16壁上的滑槽内，第一转轴15能上下移动；第二导筒30的下端与第四链轮26上端面固定连接，第二导筒30壁上有滑槽，第二转轴31装设在第二导筒30内，第二转轴31的上端与第五链轮27的轮轴固定连接。第二转轴31上有第二键33，第二转轴31上的第二键33插入第二导筒30壁上的滑槽内，使第二转轴31能上下移动；所述第一搅拌装置12的转轴34上端与第三链轮25的轮轴固定连接，第二搅拌装置19的转轴35上端与第六链轮28的轮轴固定连接。第一搅拌装置12和第二搅拌装置19依工艺需要能上升或下降。第一搅拌装置12和第二搅拌装置19的上升或下降是通过第一转轴15和第二转轴31的上升或下降来实现的，而第一转轴15和第二转轴31的上升或下降由升降轴10的上升或下降带动实现的。升降轴10的下端固定在第二升降板38上，第一滚珠丝杠36和第二滚珠丝杠37的转动带动第二升降板38上下移动，从而带动升降轴10上升或下降。第一滚珠丝杠36的下端与第七链轮41连接，以及第二滚珠丝杠37的下端与第八链轮42连接，主动轮43在电机44的带动下通过第四链条45带动第七链轮41和第八链轮42转动，进而使第一滚珠丝杠36和第二滚珠丝杠37转动，第一导向轴46和第二导向轴13保证第二升降板38在竖直方向移动。

在所述容器14内盛装有液态金属锡11，在液态金属锡11上面设置有浮动隔热挡板9。

Claims (3)

1.一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备，包括铸型加热保温炉(5)、陶瓷铸型(4)、激冷托盘(2)、抽拉托架(3)、容器(14)、浮动隔热挡板(9)、第一搅拌装置(12)、第二搅拌装置(19)和搅拌装置驱动机构，其特征在于：

所述铸型加热保温炉(5)内壁上固定有环形隔热挡板(7)，环形隔热挡板(7)将铸型加热保温炉(5)的内部空间分隔成上加热区(20)和下加热区(21)，在上加热区(20)内设置第一加热器(6)，第一加热器(6)工作时将上加热区(20)内加热至1500-1550℃，并保持在1500-1550℃；在下加热区(21)内设置第二加热器(8)，第二加热器(8)将下加热区(21)内加热至1600-1650℃；

陶瓷铸型(4)装设在铸型加热保温炉(5)内，其下端固定在激冷托盘(2)上，激冷托盘(2)与抽拉托架(3)固定连接，抽拉托架(3)能带动陶瓷铸型(4)和激冷托盘(2)向下移动进入溶池，抽拉托架(3)的下端固定在第一升降板(39)上，第一升降板(39)的上升和下降由液压系统(40)驱动控制，从而实现抽拉托架(3)的上升和下降，第一导向轴(46)和第二导向轴(13)保证第一升降板(39)在竖直方向移动；在铸型加热保温炉(5)的下方设置有容器(14)，在所述容器底壁的外端面上固定有升降轴(18)；

在容器(14)内对称设置有第一搅拌装置(12)和第二搅拌装置(19)；

所述搅拌装置驱动机构，包括主动链轮(22)、第一链轮(17)、第二链轮(24)、第三链轮(25)、第四链轮(26)、第五链轮(27)、第六链轮(28)、第一导筒(16)、第二导筒(30)、第一转轴(15)和第二转轴(31)；所述主动链轮(22)通过第一链条(1)与第一链轮(17)和第四链轮(26)联结；第二链轮(24)与第三链轮(25)通过第二链条(23)联结；第五链轮(27)和第六链轮(28)通过第三链条(32)联结；第一导筒(16)下端与第二链轮(24)的上端面固定连接，第一导筒(16)壁上设有滑槽，第一转轴(15)装设在第一导筒(16)内，第一转轴(15)上端与第二链轮(24)固定连接，第一转轴(15)上有第一键(29)，第一键(29)插入第一导筒(16)壁上的滑槽内，第一转轴(15)能上下移动；第二导筒(30)的下端与第四链轮(26)上端面固定连接，第二导筒(30)壁上有滑槽，第二转轴(31)装设在第二导筒(30)内，第二转轴(31)的上端与第五链轮(27)的轮轴固定连接，第二转轴(31)上有第二键(33)，第二转轴(31)上的第二键(33)插入第二导筒(30)壁上的滑槽内，使第二转轴(31)能上下移动；所述第一搅拌装置(12)的转轴上端与第三链轮(25)的轮轴固定连接，第二搅拌装置(19)的转轴上端与第六链轮(28)的轮轴固定连接，第一搅拌装置(12)和第二搅拌装置(19)依工艺需要能上升或下降，在所述容器(14)内盛装有液态金属锡(11)，在液态金属锡(11)上面设置有浮动隔热挡板(9)。

2.根据权利要求1所述的一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备，其特征在于所述容器(14)为内径上大下小的不锈钢容器。

3.根据权利要求1所述的一种具有锡锅搅拌装置的液态金属冷却定向凝固设备，其特征在于所述第一搅拌装置(12)和第二搅拌装置(19)的上升或下降是通过第一转轴(15)和第二转轴(31)的上升或下降来实现的，而第一转轴(15)和第二转轴(31)的上升或下降由升降轴(10)的上升或下降带动实现的，升降轴(10)的下端固定在第二升降板(38)上，第一滚珠丝杠(36)和第二滚珠丝杠(37)的转动带动第二升降板(38)上下移动，从而带动升降轴(10)上升或下降，第一滚珠丝杠(36)的下端与第七链轮(41)连接，以及第二滚珠丝杠(37)的下端与第八链轮(42)连接，主动轮(43)在电机(44)的带动下通过第四链条(45)带动第七链轮(41)和第八链轮(42)转动，进而使第一滚珠丝杠(36)和第二滚珠丝杠(37)转动，第一导向轴(46)和第二导向轴(13)保证第二升降板(38)在竖直方向移动。

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