CN104889371A - 一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，包括炉体、熔炼装置、熔炼室真空抽气系统，铸模室真空抽气系统、熔炼电源装置、水冷系统；所述炉体为立式结构由熔炼室和铸模室焊接一体组成；所述熔炼装置4设置于熔炼室的侧壁上；所述熔炼室真空抽气系统与熔炼室无缝连接；所述铸模室真空抽气系统与铸模室无缝连接；所述熔炼电源装置与熔炼装置连接；所述水冷系统与铸模室连接。本发明关键结晶部位共设有30多个测温点，温度检测准确，控制温度均匀。炉内为隔热板和循环水冷，降温效果显著而准确。加热线圈可边浇注边水平移动，属于国内独创。本发明的结晶器水冷结构先进，可满足大容量热量交换。

Description

一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉

技术领域

本发明涉及单晶炉技术领域，主要应用于航空航天和地面燃气涡轮工作叶片、导向叶片生产；具体是一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉。

背景技术

单晶炉的作用不言而喻，在科技飞速发展的今天起到了非常重要的作用。现有单晶炉的温度梯度小，最高温度低，炉内温度上升速度缓慢，温度检测点少。在后期冷却过程中，温度下降缓慢。并且不具备单独的气系统，整体容量有限。无法满足高精度、高强度涡轮叶片加工的需求。

总之，一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉尚未见报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，包括炉体、熔炼装置、熔炼室真空抽气系统，铸模室真空抽气系统、熔炼电源装置、水冷系统；所述炉体为立式结构由熔炼室和铸模室焊接一体组成；所述熔炼装置设置于熔炼室的侧壁上；所述熔炼室真空抽气系统与熔炼室无缝连接；所述铸模室真空抽气系统与铸模室无缝连接；所述熔炼电源装置与熔炼装置连接；所述水冷系统与铸模室连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明的温度梯度大，炉内最高温度达1850℃。

2、本发明的关键结晶部位共设有30多个测温点，温度检测准确，控制温度均匀。

3、本发明的炉内为隔热板和循环水冷，降温效果显著而准确。

4、本发明的加热线圈可边浇注边水平移动，属于国内独创。

5、本发明的结晶器水冷结构先进，可满足大容量热量交换。

附图说明

图1是本发明整体结构主视图。

图2是本发明整体结构左视图。

图3是本发明整体结构俯视图。

具体实施方式

结合说明书附图1-3及附图标记对本发明进一步详细说明。

一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，包括炉体1、熔炼装置4、熔炼室真空抽气系统10，铸模室真空抽气系统11、熔炼电源装置9、水冷系统17；所述炉体1为立式结构由熔炼室2和铸模室3焊接一体组成；熔炼室2和铸模室3之间设有隔离阀6，该隔离阀6采用翻板阀结构；炉体1内壁、外壁及其法兰均为304不锈钢，内壁经过精细抛光，便于清除灰尘。

所述熔炼装置4设置于熔炼室2的侧壁上；所述熔炼室真空抽气系统10与熔炼室2无缝连接；所述铸模室真空抽气系统11与铸模室3无缝连接；所述熔炼电源装置9与熔炼装置4连接；所述水冷系统17与铸模室3连接。

熔炼室2为长方形箱体，壁厚12mm，水套距离为35mm，炉体1的熔炼室2上部设有两个多位观察窗20，设有一个转塔，转塔由加料装置7和测温装置8组成；转塔与炉体1的熔炼室2间设有水冷插板阀隔离，还设有一个保温炉盖板19；熔炼室2设有炉门通过铰链与侧壁相连，手动旋转打开，炉门内壁设水冷结构，在炉门上设有方形的熔炼装置4接口；熔炼室2内部安装有保温炉。

铸模室3为为U型中通的双层水冷结构；壁厚为10mm，水套夹层为25mm，铸模室3与熔炼室2之间设有翻板阀隔离，铸模室3设有侧开炉门，炉门的下方焊接有一条挡渣板，以防止浇注时飞溅出的金属渣烫伤密封面和胶圈。

熔炼装置4包括感应器、侧板和支架；感应器、侧板和支架采用优质不锈钢和铜构件制做，支架上设有滑轨、润滑机构及水冷机构，用于坩埚的翻转浇注及水平移动；翻转、移动速度可以调节，感应器的回水口设有温度传感器，检测水温。

熔炼室真空抽气系统10包括通过真空管道连接在一起的一台油增扩泵、两台罗茨泵以及一台滑阀泵，在真空管道上设有6个高真空气动蝶阀；真空管道为304不锈钢材质，设有放气阀、除尘网、真空测量传感器；铸模室真空抽气系统11包括通过真空管道连接在一起的2台罗茨泵和3台滑阀泵；在真空管道上设有7个高真空气动蝶阀。

水冷系统17由冷却水控制箱、管路及应急水转换阀组成；所述控制箱上装有分水器、电接点水温表、电接点压力表、阀门、配水管，冷却水保证感应器、真空机组、炉体的正常运转；管路上设有水压、水流量计及超温保护装置，当冷却水流量过低或者水温过高时应能自动切断中频电源；在紧急停电的情况下用水转换阀自动打开并启动。

熔炼电源装置9采用IGBT晶体管模块中频电源，无逆变失败，中频频率能够随负载情况，在一定范围内自动跟踪，转化效率高。

所述熔炼室2内底板上设有双区加热器13和水冷结晶器14；结晶器14由保温层和石墨感受器组成；双区加热器13因上下线圈的匝数不同而形成不同温度梯度，加热器13的内径是φ450mm；水冷结晶器14下端设有支承模壳5，支承模壳5与水冷结晶器直接接触；在加热器13与水冷结晶器14之间安装有辐射挡板；该挡板采用复合式辐射挡板，辐射挡板的圈口尺寸在能满足型壳顺利通过的条件下越小越好；辐射挡板下部设有冷却水套以加快刚凝固金属的冷却，促进散热，可以提高凝固前沿的温度梯度；双区加热器13尺寸是：Φ450mm×650mm；结晶器14尺寸是：φ250mm，φ350mm两个规格。双区加热器13上下线圈高度比约3：1。

所述转塔由加料装置7和测温装置8组成；加料装置7采用电动方式自动加料，由铰接机构、导向杆、送料杆、密封组件、夹锭机构组成；中间设有真空插板阀与熔炼室隔离，可实现真空下多次加料；采用方门加料机构，装料方便，采用铰接机构，具有防摆、防砸坩埚的柔性功能；测温装置8通过测温加料室抽气系统12与熔炼室2连接；测温装置8采用热偶测温和红外测温两种测温方式，红外测温采用高性能双比色测温仪测温；热偶测温与加料机构置于一个机构上，在不破坏熔炼室真空度情况下进行精炼过程中测温；测温装置8由滚珠丝杠、导向杆、铂铑热电偶、测温枪、密封组件、减速电机组成；同时电偶升降行程也可进行定期的参数校验。

还包括：充放气系统15和电气控制系统16；充放气系统15能满足真空冷却、破真空、熔炼过程中充氩气的工艺要求，包括气动截止阀、手动截止阀、集气管道；充放气系统15稳定可靠，并能在熔炼过程中，进行更换气动阀门；放气阀侧接有消音器能减少在放气过程中气体与管路摩擦产生的噪音；电气控制系统包括如下步骤：

步骤1)真空检测控制：

将熔炼室2、铸模室3、测温室和加料室分别配真空规管与真空机组连接，实时监测相关部位的真空度。具有各室之间真空压力连锁功能，确保真空隔离阀门动作时各室压力平稳和真空泵组启动；由真空计测量炉内的真空度，测量范围从大气压到极限真空度，真空计输出的开关量及模拟量信号进入PLC和无纸记录仪对真空度信号进行存储，及控制炉子的有关真空的动作。对炉子充气时，由绝对压力变送器测量炉内压力，输出信号同样进入到PLC和无纸记录仪。分压操作时，由带远传输出的转子流量计测量充气流量。

步骤2)工作过程的动作控制：

整个工作过程连锁控制，对炉内真空、温度，回充气体压力，冷却水压力以及误操作具有安全连锁保护及自动处理措施；并配有声、光报警，设备工作可自动、手动运行，并可随时切换；如：⑴真空度不合格，不能加热；⑵水压低，可切断加热电源；⑶超温时，自动关断加热电源等

步骤3)10.4寸触摸屏，通过和PLC、温控表通讯，用画面显示整个炉子的动作过程，并记录各个动作事件在触摸屏的内存中，可在触摸屏上对炉子的所有动作直接进行操作。在触摸屏上显示炉子温度、压力、真空度、分压操作充气流量、加热电流、加热电压。并可在触摸屏上修改温控表的温度-时间程序、各种控制、事件参数，显示加热工艺曲线；

步骤4)现场过程记录，使用工控机用于加工参数的编辑、记录、设备参数校验功能，配置大容量内存，长期保存数据，采用趋势曲线，棒图，大画面实时值等显示方式，配置的CF卡驱动器，可方便数据的存储和转移。

步骤5)设备浇注轨迹记录功能，并能实现设备按照记录的轨迹自动浇注。

还包括工作平台用于方便在炉前操作和维护及清理设备。

气动系统：由气缸、定压阀、分离器、油雾器、配气管、换向阀等构成,通过电控气动阀完成各气动阀门的开关。

还包括合金加料装置18，由多工位合金加料、加料斗及机械操纵机构等组成，加料仓设有四个仓位安装在炉盖上，加料斗及机械操纵机构安装在炉体侧面，通过观察窗可观察加料斗位置及加料状况，可准确、平稳、完全地实现真空熔炼过程中的多次合金加料。

Claims (10)

1.一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，其特征在于：

包括炉体(1)、熔炼装置(4)、熔炼室真空抽气系统(10)，铸模室真空抽气系统(11)、熔炼电源装置(9)、水冷系统(17)；

所述炉体(1)为立式结构由熔炼室(2)和铸模室(3)焊接一体组成；熔炼室2和铸模室3之间设有隔离阀6；

所述熔炼装置(4)设置于熔炼室(2))的侧壁上；

所述熔炼室真空抽气系统(10)与熔炼室(2)无缝连接；

所述铸模室真空抽气系统(11)与铸模室(3)无缝连接；

所述熔炼电源装置(9)与熔炼装置(4)连接；

所述水冷系统(17)与铸模室(3)连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，其特征在于：

熔炼室(2)为长方形箱体，壁厚12mm，水套距离为35mm；炉体(1)的熔炼室(2)上部设有两个多位观察窗(20)，设有一个转塔，转塔由加料装置(7)和测温装置(8)组成；转塔与炉体(1)的熔炼室(2)间设有水冷插板阀隔离，还设有一个保温炉盖板(19)；熔炼室(2)设有炉门通过铰链与侧壁相连，手动旋转打开，炉门内壁设水冷结构，在炉门上设有方形的熔炼装置(4)接口；熔炼室(2)内部安装有保温炉。

3.根据权利要求1所述的一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，其特征在于：

铸模室(3)为为U型中通的双层水冷结构；壁厚为10mm，水套夹层为25mm；铸模室(3)与熔炼室(2)之间设有翻板阀隔离，铸模室(3)设有侧开炉门，炉门的下方焊接有一条挡渣板，以防止浇注时飞溅出的金属渣烫伤密封面和胶圈。

4.根据权利要求1所述的一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，其特征在于：

熔炼装置(4)包括感应器、侧板和支架；感应器、侧板和支架采用优质不锈钢和铜构件制做，支架上设有滑轨、润滑机构及水冷机构，用于坩埚的翻转浇注及水平移动；翻转、移动速度可以调节，感应器的回水口设有温度传感器，检测水温。

5.根据权利要求1所述的一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，其特征在于：

熔炼室真空抽气系统(10)包括通过真空管道连接在一起的一台油增扩泵、两台罗茨泵以及一台滑阀泵，在真空管道上设有6个高真空气动蝶阀；真空管道为304不锈钢材质，设有放气阀、除尘网、真空测量传感器；

铸模室真空抽气系统(11)包括通过真空管道连接在一起的2台罗茨泵和3台滑阀泵；在真空管道上设有7个高真空气动蝶阀。

6.根据权利要求1所述的一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，其特征在于：

水冷系统(17)由冷却水控制箱、管路及应急水转换阀组成；

所述控制箱上装有分水器、电接点水温表、电接点压力表、阀门、配水管，冷却水保证感应器、真空机组、炉体的正常运转；管路上设有水压、水流量计及超温保护装置，当冷却水流量过低或者水温过高时应能自动切断中频电源；在紧急停电的情况下用水转换阀自动打开并启动。

7.根据权利要求1所述的一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，其特征在于：

熔炼电源装置(9)采用IGBT晶体管模块中频电源，无逆变失败，中频频率能够随负载情况，在一定范围内自动跟踪，转化效率高。

8.根据权利要求1所述的一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，其特征在于：

所述熔炼室(2)内底板上设有双区加热器(13)和水冷结晶器(14)；

水冷结晶器(14)由保温层和石墨感受器组成；

双区加热器(13)因上下线圈的匝数不同而形成不同温度梯度，双区加热器(13)的内径是φ450mm；

水冷结晶器(14)下端设有支承模壳(5)，支承模壳(5)与水冷结晶器直接接触；

在双区加热器(13)与水冷结晶器(14)之间安装有辐射挡板；该挡板采用复合式辐射挡板，辐射挡板的圈口尺寸在能满足支承模壳(5)顺利通过的条件下越小越好；

辐射挡板下部设有冷却水套以加快刚凝固金属的冷却，促进散热，可以提高凝固前沿的温度梯度；

双区加热器上下线圈高度比约3：1。

9.根据权利要求2所述的一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，其特征在于：

所述转塔由加料装置(7)和测温装置(8)组成；

加料装置(7)采用电动方式自动加料，由铰接机构、导向杆、送料杆、密封组件、夹锭机构组成；中间设有真空插板阀与熔炼室隔离，可实现真空下多次加料；采用方门加料机构，装料方便，采用铰接机构，具有防摆、防砸坩埚的柔性功能；

测温装置(8)采用热偶测温和红外测温两种测温方式，红外测温采用高性能双比色测温仪测温；热偶测温与加料机构置于一个机构上，在不破坏熔炼室真空度情况下进行精炼过程中测温；

测温装置(8)由滚珠丝杠、导向杆、铂铑热电偶、测温枪、密封组件、减速电机组成；同时电偶升降行程也可进行定期的参数校验。

10.根据权利要求1所述的一种具有真空感应定向凝固的单晶铸造炉，其特征在于：

还包括：充放气系统(15)和电气控制系统(16)；

充放气系统(15)能满足真空冷却、破真空、熔炼过程中充氩气的工艺要求，包括气动截止阀、手动截止阀、集气管道；充放气系统稳定可靠，并能在熔炼过程中，进行更换气动阀门；放气阀侧接有消音器能减少在放气过程中气体与管路摩擦产生的噪音；

电气控制系统(16)包括如下步骤：

步骤1)真空检测控制：

将熔炼室(2)、铸模室(3)、测温室和加料室分别配真空规管与真空机组连接，实时监测相关部位的真空度；具有各室之间真空压力连锁功能，确保真空隔离阀门动作时各室压力平稳和真空泵组启动；由真空计测量炉内的真空度，

步骤2)工作过程的动作控制：

整个工作过程连锁控制，对炉内真空、温度，回充气体压力，冷却水压力以及误操作具有安全连锁保护及自动处理措施；并配有声、光报警，设备工作可自动、手动运行，并可随时切换；

步骤3)在触摸屏上显示炉子温度、压力、真空度、分压操作充气流量、加热电流、加热电压；并可在触摸屏上修改温控表的温度-时间程序、各种控制、事件参数，显示加热工艺曲线；

步骤4)真空炉的现场过程记录，使用工控机用于加工参数的编辑、记录、设备参数校验功能，配置大容量内存，长期保存数据，采用趋势曲线，棒图，大画面实时值等显示方式，配置的CF卡驱动器，可方便数据的存储和转移；

步骤5)设备浇注轨迹记录功能，并能实现设备按照记录的轨迹自动浇注。