CN103363807B - 一种中频感应炉坩埚的打制烘烤烧结方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中频感应炉坩埚的打制烘烤烧结方法，包括直接在中频感应炉内打制坩埚底部和利用钢模打制坩埚侧壁及打制炉口的坩埚模打制过程、利用中频感应炉对坩埚模进行加热烘烤烧结过程，加热烘烤烧结过程包括烘烤、注入钢液和保温等工艺阶段。本发明在保证坩埚成型质量和寿命的同时，大大缩短了烘烤烧结的时间，提高了工作效率，降低了生产成本。使用本发明制得的坩埚致密度高，裂纹少，质量稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种坩埚的制造工艺，具体的说是一种中频感应炉坩埚的打制烘烤烧结工艺。
背景技术
中频感应炉是指使用电流频率在150～8000Hz范围电源供电的感应电炉。中频感应炉具有熔化速度快、生产效率高、适应性强、使用灵活、电磁搅拌效果好、启动操作方便等特点，在铸造生产中主要用于冶炼优质钢及各种合金材料。中频感应炉有熔沟式和坩埚式两种，在冶炼生产中主要采用坩埚式中频感应炉进行生产。中频感应炉的坩埚根据制作时采用的耐火材料不同分为碱性坩埚、酸性坩埚和中性坩埚三种。碱性坩埚主要用氧化镁制作而成；酸性坩埚采用氧化硅制得；中性坩埚的制作材料包括氧化铝、镁铝尖晶石、复合氧化物、石墨等。
实际生产中，中频感应炉的坩埚的制作工序包括：在中频感应炉的炉内打制坩埚模、中频感应炉通电烘烤烧结坩埚模。坩埚模的打制一般为整体捣打成型，捣打的工艺步骤为：首先捣打坩埚模的底部，然后在底部放置钢模，钢模是由底部和环形的侧壁组成的类似杯子的形状，钢模的底部与捣打完成的坩埚模的底部接触，钢模的侧壁与中频感应炉的内侧炉壁之间留有间隙，该间隙与坩埚模的侧壁厚度对应，在钢模与炉体内侧炉壁之间的间隙内逐层捣打坩埚模的侧壁，最后在中频感应炉的出钢口处打制修筑炉口。坩埚模制作完成之后，进行烘烤烧结制得坩埚。目前，坩埚的烘烤烧结过程大致分为三个阶段：第一阶段的加热温度控制在850℃以下，在此温度下，耐火材料发生脱水反应和微量碳酸盐分解反应，该阶段一般耗时2.5～3h；第二阶段的温度保持在850～1400℃，耐火材料中的低熔点化合物开始熔化，烧结网络开始出现，在坩埚壁上形成一层3～5mm厚的烧结硬壳，此阶段还需要分批往坩埚模中加入钢料或者玻璃等炉料，炉体对炉料加热使炉料熔化，当炉料溶化后停止加热，再加入下一批的炉料，反复重复熔化炉料，直到熔化的炉料加满坩埚模，这是整个烘烤烧结过程中耗时最长的阶段，大概需要经过4.5～5.5h；第三阶段为继续加热到1400～1700℃，经过初步烧结后的坩埚模继续扩大烧结层的厚度，并得到理想的烧结结构，制得坩埚，该阶段耗时一般为1～1.5h。实际生产中，根据不同坩埚使用的耐火材料和粘结剂不同，上述三阶段中的工艺参数可以略作调整，但是总体来说，三个阶段的烘烤烧结总时长基本为8～10h。而为了保证受热均匀，三个阶段中烘烤的加热速度一般为200～300℃/h，烘烤烧结的温度梯度越平缓，烘烤时间越长，虽然这样做能使坩埚模受热更均匀、烧结层更致密、强度更高、裂纹更少，但是烤炉时间越长，所耗用的烤炉费用就会越高，增加了生产成本，降低了工作效率。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种中频感应炉坩埚的打制烘烤烧结方法，使用该工艺在保证坩埚成型质量和寿命的同时，还大大缩短烘烤烧结的时间，提高了工作效率，降低了生产成本。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种中频感应炉坩埚的打制烘烤烧结方法，包括直接在中频感应炉内打制坩埚底部和利用钢模打制坩埚侧壁及打制修筑炉口的坩埚模打制过程、利用中频感应炉对坩埚模进行加热烘烤烧结过程，坩埚模的加热烘烤烧结过程包括以下阶段：
A、烘烤：用钢模在待制作坩埚的中频感应炉Ⅰ内打制坩埚模完成后，向坩埚模的钢模内放入钢模容积的20～30%的用于感应导电升温用的块状钢料，使中频感应炉Ⅰ通电对钢模和块状钢料加热，加热升温速度为900～950℃/h，将钢模和钢料温度升至900～950℃后中频感应炉Ⅰ断电停止加热；
B、注入钢液：在进行步骤A的同时，在另一独立的能进行正常生产的中频感应炉Ⅱ内熔化一锅钢液，并将熔化的钢液快速注入完成烘烤的坩埚模的钢模内，待钢液液面达到炉口时，停止注入钢液；
C、保温烧结：使注入钢液后的中频感应炉Ⅰ通电并利用最大速度对钢液加热使坩埚模升温，当钢液的温度达到1680～1700℃后保温1～1.5h；中频感应炉Ⅰ的坩埚制作完成。
本发明的进一步改进在于：坩埚模打制时采用干法捣打成型，捣打过程分为打制底部、打制侧壁和修筑炉口三步，打制底部和侧壁时，筑造坩埚模的材料均是分批加入分次捣打，捣打一次后，将捣打过的表面层料划松，再加入下一批料继续捣打。
本发明的进一步改进在于：打制坩埚模的底部时采用低位倾斜方式加料。
本发明的进一步改进在于：所述钢模的壁厚为6～8mm，钢模的圆周度≤5mm。
本发明的进一步改进在于：注入钢液的温度为1380～1450℃，钢液快速注入中频感应炉Ⅰ时所用的时间为1～3min。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明将熔化的钢液直接注入需要烧结的坩埚模内进行烘烤烧结，由于熔化的钢液温度很高，能使坩埚模整体快速升温，缩短了加热时间，通过增大升温速度减少了烘烤烧结的第二阶段的烧结时间，缩短了烘烤烧结总时间，减轻了操作人员的劳动强度，提高了工作效率，降低了生产成本。使用本发明制得的坩埚致密度高，裂纹少，质量稳定。
烘烤过程中以900～950℃/h的升温速度将钢料加热到900～950℃，此时坩埚模和钢模均处于红热状态，钢模完整未熔化，制成坩埚模的耐火材料处于低温烧结阶段，形成了厚度为3～5mm的烧结层，保证坩埚模的内壁完整，防止散料。
向坩埚模中快速注入熔化的钢液，减小了转注过程中钢液的热量损失，有利于坩埚模的加热和快速升温。注入的钢液首先熔化钢模，再接触坩埚模的内壁，因坩埚模内壁温度低、耐火材料导热慢，钢液不会侵蚀烘烤阶段形成的3～5mm厚的烧结层，保证了最终制成的坩埚的致密度。将钢液注入达到炉口为止，钢液对整个坩埚模内壁同时加热，在加热烘烤烧结的过程中耐火材料受热均匀，保持坩埚模整体匀速升温，温度梯度小，最终得到的坩埚致密度高、裂纹少，强度高，保证坩埚的质量。
采用中频感应炉的最快升温速度将钢液加热到1680～1700℃，缩短了加热升温的时间，降低了生产成本。保温1～1.5h后，加大了烧结层的厚度，得到了理想的烧结结构，最终制得的坩埚满足中频感应炉对坩埚使用性能的要求。
在打制坩埚模时分批加料分次捣打，捣打过的表面层料划松，再加入下一批料继续捣打，防止捣打分层。在打制坩埚模底部时，采取低位倾斜的方式加料，防止坩埚模产生粒度偏析。
钢模壁厚为6～8mm，圆周度≤5mm，保证了制得的坩埚模的尺寸精度，保证坩埚模的厚度均匀，在加热升温过程中能够同时对钢模、钢料和坩埚模进行均匀加热，延长了坩埚的使用寿命。
具体实施方式
一种中频感应炉坩埚的打制烘烤烧结方法。包括坩埚模打制过程和对坩埚模进行加热烘烤烧结过程，加热烘烤烧结的方法步骤适用于首次使用的新筑的坩埚的烘烤烧结。
坩埚模打制采用整体捣打成型，包括打制底部、打制侧壁和打制修筑炉口三步。整体捣打成型分为湿法捣打和干法捣打两种方式。湿法捣打是指在打制材料中除加入耐火材料外，还添加水或水玻璃、卤水等粘结剂进行捣打；干法捣打是将耐火材料及硼酸等添加剂混合搅拌均匀之后进行捣打。干法捣打在打制底部及侧壁时不需要添加粘结剂，仅在打制修筑炉口时为方便快速成型，添加粘结剂。本发明的加热烘烤烧结方法适用于采用干法捣打成型的坩埚模。
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
本实施例以容积为5T的中频感应炉制作中性坩埚为例。
首先在中频感应炉Ⅰ内打制坩埚模。坩埚模打制过程主要包括直接在中频感应炉内打制坩埚模底部、打制坩埚模侧壁和打制修筑炉口三步。打制坩埚模底部时，氧化铝等中性耐火材料及硼酸等添加剂分4～5批加入，加料时尽量采用低位倾斜的方式，即需要在中频感应炉Ⅰ靠近底部的位置加料，加料时料斗与底面呈锐角倾斜使材料缓慢滑落，以免产生粒度偏析。捣打好一批料后，要将表面层料划松，再加入下一批料继续捣打，防止捣打分层。
坩埚模底部打制完成后，放置用于打制坩埚模侧壁的钢模，钢模为由底部和环形的侧壁组成的类似杯子的形状，钢模的整体壁厚为6～8mm；钢模的侧壁圆周度≤5mm。防止钢模时，钢模的底面置于打制完成的坩埚模的底部，钢模的侧壁与中频感应炉的内侧炉壁之间形成一圈间隙，在间隙加入氧化铝等中性耐火材料及硼酸等添加剂进行捣打。放置钢模时保持钢模的底面中心严格定位并固定于中频感应炉的中心轴线上，使得整圈间隙的厚度均匀，保证制得的坩埚模的侧壁厚度均匀。打制坩埚模侧壁的操作与打制坩埚模底部的操作相同，分批加料分次进行捣打。在捣打过程中随时注意检查钢模是否发生移动、倾斜，防止坩埚壁厚薄不均影响坩埚的使用寿命。坩埚模的侧壁打制完成后，在中频感应炉的出钢口处打制修筑炉口。打制修筑炉口时，添加水玻璃等粘结剂与氧化铝等中性耐火材料及硼酸等添加剂混合均匀，这样方便炉口的快速成型，并保证炉口部位在烧结完成后坚固耐用，防止因为炉口烧结不好导致生产时在倒钢液的过程中耐火材料溃散掉入钢液中，降低产品质量。
坩埚模打制完成之后，中频感应炉Ⅰ通电对坩埚模进行加热烘烤烧结。加热烘烤烧结过程包括以下阶段：
A、烘烤：将块状钢料放入中频感应炉Ⅰ预制的坩埚模内，放置的块状钢料重量为1～1.5t。启动中频感应炉Ⅰ开始加热升温，加热升温速度为900～950℃/h，当钢料温度升至900～950℃时中频感应炉Ⅰ断电，停止加热。此时坩埚模和钢模均处于红热状态，钢模完整并未发生熔化现象，组成坩埚模的耐火材料处于低温烧结阶段，坩埚模内壁形成厚度为3～5mm的烧结层。
B、注入钢液：在打制坩埚模、对坩埚模进行烘烤的过程中，采用另一拥有单独供电线路和独立控制系统的能进行正常生产的中频感应炉Ⅱ熔化钢液，钢液熔化后，当钢液的温度为1380～1450℃时，将熔化的钢液转注入完成烘烤的中频感应炉Ⅰ的坩埚模内，一般钢液的注入时间为1～3min，注入速度越快越好，以减小转注过程中钢液的热量损失。注入的钢液首先熔化钢模，再接触坩埚模的内壁，因为坩埚模内壁温度较低、制成坩埚模的耐火材料导热性较慢，所以钢液不会侵蚀到烘烤阶段时形成的3～5mm厚烧结层，保证最终制得的坩埚内部组织致密。待钢液液面达到炉口时，停止注入钢液。利用熔化的钢液对坩埚模进行快速加热，将熔化的钢液注入坩埚来加快升温速度，有效缩短了时间，并且保证坩埚整体受热均匀。
C、保温烧结：提升中频感应炉Ⅰ的功率，使中频感应炉Ⅰ以最大功率状态工作，用最大速度对坩埚模及钢液进行加热升温，当钢液的温度达到1680～1700℃后，制成坩埚模的中性耐火材料开始熔化烧结成型，此时开始保温，保温时间为1～1.5h，使得坩埚模烧结层厚度达到要求，制得的坩埚具备理想的烧结结构，满足使用性能的要求。若为酸性坩埚或碱性坩埚，此阶段的钢液的保温温度根据制成坩埚模的耐火材料的熔化温度确定。
中频感应炉Ⅰ的坩埚制作完成。之后可以利用坩埚中熔化的钢液直接进行后序铸造生产。
采用本发明最终得到的坩埚既能达到采用普通工艺进行烧结时坩埚的烧结程度，同时缩短了烘烤烧结的时间。在完成坩埚的烘烤烧结过程的同时进行钢液的熔化，之后可直接利用钢液进行冶炼生产，大大缩短了生产时间，提高了工作效率。
Claims (4)
1.一种中频感应炉坩埚的打制烘烤烧结方法，其特征在于：包括直接在中频感应炉内打制坩埚底部和利用钢模打制坩埚侧壁及打制修筑炉口的坩埚模打制过程、利用中频感应炉对坩埚模进行加热烘烤烧结过程，坩埚模的加热烘烤烧结过程包括以下阶段：
A、烘烤：用钢模在待制作坩埚的中频感应炉Ⅰ内打制坩埚模完成后，向坩埚模的钢模内放入钢模容积的20~30%的用于感应导电升温用的块状钢料，使中频感应炉Ⅰ通电对钢模和块状钢料加热，加热升温速度为900~950℃/h，将钢模和钢料温度升至900~950℃后中频感应炉Ⅰ断电停止加热；
B、注入钢液：在进行步骤A的同时，在另一独立的能进行正常生产的中频感应炉Ⅱ内熔化一锅钢液，并将熔化的钢液快速注入完成烘烤的坩埚模的钢模内，待钢液液面达到炉口时，停止注入钢液；注入钢液的温度为1380~1450℃，钢液快速注入中频感应炉Ⅰ时所用的时间为1~3min；
C、保温烧结：使注入钢液后的中频感应炉Ⅰ通电并利用最大速度对钢液加热使坩埚模升温，当钢液的温度达到1680~1700℃后保温1~1.5h；中频感应炉Ⅰ的坩埚制作完成。
2.根据权利要求1所述一种中频感应炉坩埚的打制烘烤烧结方法，其特征在于：坩埚模打制时采用干法捣打成型，捣打过程分为打制底部、打制侧壁和修筑炉口三步，打制底部和侧壁时，筑造坩埚模的材料均是分批加入分次捣打，捣打一次后，将捣打过的表面层料划松，再加入下一批料继续捣打。
3.根据权利要求2所述一种中频感应炉坩埚的打制烘烤烧结方法，其特征在于：打制坩埚模的底部时采用低位倾斜方式加料。
4.根据权利要求1~3任一项所述一种中频感应炉坩埚的打制烘烤烧结方法，其特征在于：所述钢模的壁厚为6~8mm，钢模的圆周度≤5mm。
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