CN107024115A - 一种熔炼装置及合金熔炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔炼装置，包括坩埚本体，其特征在于：所述坩埚底部设有通孔作为落料孔，坩埚外侧设有熔炼感应线圈，所述熔炼感应线圈的工作长度小于或者等于坩埚的高度；所述熔炼感应线圈还设有与之相连的驱动组件，熔炼感应线圈在驱动组件的带动下沿坩埚轴向与坩埚作相对运动。采用本发明中的熔炼装置及熔炼方法，避免了使用现有技术中倾倒坩埚的落料工艺所带来的弊端，不仅能够对合金原料进行均匀熔炼，而且方便、可靠，适用于各类合金的熔炼，尤其适用于要求较高的合金材料熔炼工艺。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种熔炼装置以及应用该装置的熔炼方法。
背景技术
熔化炼制工艺是金属材料的铸造生产工艺之一，是将金属材料及其它辅助材料投入加热炉溶化并调质，原料熔液在高温炉内发生一定的物理、化学变化，产出粗金属或金属富集物和炉渣的火法冶金过程。合金熔炼的过程中采用的熔炼器具往往为坩埚，在熔炼工艺中，合金原料加热熔化后形成均一的熔液，然后翻转坩埚，将熔液倾倒至后段工序的容器中，如倒入压铸模具中做后续加工处理。坩埚作为熔炼器具已广泛应用于合金熔炼工艺中，倾倒坩埚作为熔液落料的工艺也源远流长、由来已久。在粗放式的熔炼工艺中或者要求不高的母合金生产的工艺中，上述熔炼倒料的工艺尚可用于大批量生产，然而随着各种铸造方法对金属熔炼过程的要求越来越高，现有技术中的坩埚熔炼方式已难以满足要求。
坩埚熔炼并采用倾倒的方式落料主要存在以下缺点：（1）合金熔液在倾倒的过程中容易产生飞溅，造成材料的损失；（2）由于已经停止加热，倾倒过程中的热损可能造成合金熔液中部分成分的偏析，而且易夹杂气体在其中，是凝固后的产品气孔率增加；（3）倾倒过程中的合金熔液动能较大，到达后续工序容器中的冷却时间间隔长，凝固后容易分层；（4）收到坩埚翻转角度的影响，熔炼坩埚内部易残留预料，影响坩埚寿命，同时也影响下一批次熔炼的合金产品的成分一致性。许多研究者也提出了解决上述问题的技术方案，如在坩埚底部直接开设落料孔，熔炼时封闭落料孔，熔炼完毕后打开落料孔，将合金熔液直接通过落料孔进入下一工序的容器中。上述技术方案中，虽然改善了倾倒坩埚所造成的问题，但是由于常规加热方式往往采用电阻加热或者感应加热，坩埚底部是受热效果较差的部位，二为了获得均匀的熔炼效果往往需要将落料孔的密封及控制结构统一放置于加热源中，这样形成的落料孔的封闭结构容易在高温环境下失效，造成溶液无法流出或者漏液的情况。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明提供了一种改善型的熔炼装置，本发明中同样采用坩埚作为熔炼装置中的容器，并通过对坩埚落料口和感应线圈加热装置的设置获得比现有技术更加可靠的技术效果。采用本发明中的熔炼装置及熔炼方法，避免了使用现有技术中倾倒坩埚的落料工艺所带来的弊端，不仅能够对合金原料进行均匀熔炼，而且方便、可靠，适用于各类合金的熔炼，尤其适用于要求较高的合金材料熔炼工艺。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
本发明中的熔炼装置，包括坩埚本体，所述坩埚底部设有通孔作为落料孔，坩埚外侧设有熔炼感应线圈，所述熔炼感应线圈的工作长度小于或者等于坩埚的高度；所述熔炼感应线圈还设有与之相连的驱动组件，熔炼感应线圈在驱动组件的带动下沿坩埚轴向与坩埚作相对运动。
进一步地，所述坩埚外侧还设有保温隔热层，所述保温隔热层内近坩埚侧设有冷却循环水组件。
再进一步优选，所述坩埚落料孔底部设有与之相接的引流道，引流道外侧设有保温感应线圈。
优选地，所述坩埚落料孔端部与坩埚侧壁为圆弧过度，落料孔设于坩埚底部中心。
进一步地，所述坩埚为金属铜、金属钨、金属钯、金属铂坩埚中的一种，且采用分瓣式结构。
优选地，所述熔炼装置作为金属材料重力铸造设备、压力铸造设备、3D打印设备中的熔炼装置进行使用。
本发明中还提供一种应用上述熔炼装置进行合金熔炼的方法，包括如下步骤：
S01：将合金熔炼原料放置入坩埚中，所述合金熔炼原料尺寸大于坩埚落料孔孔径；
S02：开启熔炼感应线圈，同时开启该感应线圈的驱动组件，使熔炼感应线圈沿坩埚轴向自上而下运动，从而自上而下使合金原料熔化；
S03：熔炼感应线圈运动至坩埚最底部将最底部的合金原料熔化后，合金熔液从落料孔中流出至后续工序容器内。
进一步地，所述合金熔炼过程在真空环境下进行，真空度范围为10-4-100Pa。
进一步地，S01中，合金熔炼原料形状为三角形、圆柱形、圆锥形、丁字形中的一种。
进一步地，S03中，坩埚落料孔底部设有与之相接的引流道，引流道外侧设有感应线圈，熔化后的合金熔液从落料孔经由引流道流至后续工序容器中 。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明中的熔炼装置及熔炼方法避免了使用现有技术中倾倒坩埚的落料工艺所带来的弊端，不仅能够对合金原料进行均匀熔炼，而且方便、可靠，适用于各类合金的熔炼，尤其适用于要求较高的合金材料熔炼工艺。
2、本发明中的熔炼装置简单、可靠，适用于大规模工业化应用。
附图说明
图1 为本发明中熔炼装置的结构示意图；
图2为图1中熔炼装置加设保温层的结构示意图；
图3为图2中熔炼装置加设引流道的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及使用方法进行详细的说明。
本发明中的实施例1如附图1所示，包括坩埚本体101，坩埚本体底部设有通孔103作为落料孔，坩埚外侧设有熔炼感应线圈102，熔炼感应线圈102的长度小于或者等于坩埚的高度。熔炼感应线圈102还设有与之相连的驱动组件（未标示），熔炼感应线圈102在驱动组件的带动下沿坩埚轴向与坩埚作相对运动。
使用如实施例1中熔炼装置进行熔炼的步骤如下：
S01：将合金熔炼原料放置入坩埚101中，所述合金熔炼原料尺寸大于坩埚落料孔孔径；
合金熔炼原料形状优选三角形、圆柱形、圆锥形、丁字形中的一种，上述形状的原料取用时易称量，倒入坩埚中由于相邻原料颗粒间有间隙不会堵塞落料口，保证了后续合金熔液顺利流出。
S02：开启熔炼感应线圈102，同时开启该感应线圈的驱动组件，使熔炼感应线圈沿坩埚轴向自上而下运动，坩埚内部的熔炼原料在感应线圈产生的电磁波的作用下产生感应电流从而熔化，随着感应线圈的自上而下的移动，原材料也自上而下受热熔化。
本发明中的熔炼装置使用过程中，根据不同的合金材料选择不同的感应线圈或者调节感应线圈的功率即可达到上述熔炼效果，在此不加赘述。
S03：熔炼感应线圈102运动至坩埚最底部将最底部的合金原料熔化后，合金熔液从落料孔103中流出至后续工序容器内。
实施例2的结构如附图2所示，坩埚201外侧还设有保温隔热层202，保温隔热层内近坩埚侧设有冷却循环水组件（未标示）。保温隔热层可有效保证熔炼过程中热量不流失，提升熔炼效率，加设冷却循环水组件则可有效控制坩埚温度。
实施例3的结构如附图3所示，坩埚落料孔304底部设有与之相接的引流道307，引流道外侧设有保温感应线圈308。本发明中的熔炼装置在于其他铸造装置配合使用的过程中有可能需要改变落料的高度或者方向，加设引流道即可满足该要求，在引流道两侧加设感应线圈可防止合金熔液流出时凝固。在熔炼工艺中，熔化后的合金熔液从落料孔经由引流道流至后续工序容器中 。
进一步地，为了使合金熔液能够顺利流出，坩埚落料孔端部与坩埚侧壁为圆弧过度，落料孔设于坩埚底部中心，如附图3所示。可优选将坩埚落料孔端部与坩埚侧壁相接处104、205、305设为圆角25-60°，落料孔底部与侧壁相接处105、206、306设为圆角3-10°。合金原料全部形成熔液后往往具有一定的表面张力，可能存在不宜从坩埚内流出的情况，将落料孔端部和底部设为不同角度的圆角形成圆弧过度结构可有效避免上述情况的产生。
进一步地，坩埚可选用非金属材料或者金属材料，非金属可选择氧化锆陶瓷，氧化铝，氮化硅，碳化硅，氮化钛，锆酸钡陶瓷等等，金属坩埚则宜选用金属铜、金属钨、金属钯、金属铂坩埚中的一种，且采用分瓣式结构。坩埚材料为金属时，可以采用分瓣式结构使感应熔炼装置产生的磁力线能够通过坩埚切割到原材料。此时金属坩埚本身被感应之后提供另一个电磁场，坩埚中的原材料收到来自垂直于坩埚壁方向的力，使原材料向坩埚中心聚拢。减少与坩埚壁接触，实现纯净熔炼。采用分瓣式结构式，可以在每一瓣上单独通以冷却水组件进行温度控制。
本实施例中的熔炼装置可作为金属材料重力铸造设备、压力铸造设备、3D打印设备中的熔炼装置进行使用。
为进一步控制合金熔炼过程熔液内部气泡的产生以及避免某些易氧化金属材料受到氧化，合金熔炼过程宜在真空环境下进行，真空度范围为10-4-100Pa。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种熔炼装置，包括坩埚本体，其特征在于：所述坩埚底部设有通孔作为落料孔，坩埚外侧设有熔炼感应线圈，所述熔炼感应线圈的工作长度小于或者等于坩埚的高度；所述熔炼感应线圈还设有与之相连的驱动组件，熔炼感应线圈在驱动组件的带动下沿坩埚轴向与坩埚作相对运动。
2.如权利要求1所述熔炼装置，其特征在于：所述坩埚外侧还设有保温隔热层，所述保温隔热层内近坩埚侧设有冷却循环水组件。
3.如权利要求1所述熔炼装置，其特征在于：所述坩埚落料孔底部设有与之相接的引流道，引流道外侧设有感应线圈，用于保温及约束材料液体流向。
4.如权利要求1-3任一所述熔炼装置，其特征在于：所述坩埚落料孔端部与坩埚侧壁为圆弧过度，落料孔设于坩埚底部中心。
5.如权利要求1所述熔炼装置，其特征在于：所述坩埚为金属铜、金属钨、金属钯、金属铂坩埚中的一种，且采用分瓣式结构。
6.如权利要求1所述熔炼装置，其特征在于：所述熔炼装置作为金属材料重力铸造设备、压力铸造设备、3D打印设备中的熔炼装置进行使用。
7.一种应用如权利要求1-6任一所述熔炼装置的合金熔炼方法，其特征在于包括如下步骤：
S01：将合金熔炼原料放置入坩埚中，所述合金熔炼原料尺寸大于坩埚落料孔孔径；
S02：开启熔炼感应线圈，同时开启该感应线圈的驱动组件，使熔炼感应线圈沿坩埚轴向自上而下运动，从而自上而下使合金原料熔化；
S03：熔炼感应线圈运动至坩埚最底部将最底部的合金原料熔化后，合金熔液从落料孔中流出至后续工序容器内。
8.如权利要求7所述合金熔炼方法，其特征在于：所述合金熔炼过程在真空环境下进行，真空度范围为10-4-100Pa。
9.如权利要求7所述合金熔炼方法，其特征在于：S01中，合金熔炼原料形状为三角形、圆柱形、圆锥形、丁字形中的一种。
10.如权利要求7所述合金熔炼方法，其特征在于：S03中，坩埚落料孔底部设有与之相接的引流道，引流道外侧设有保温感应线圈，熔化后的合金熔液从落料孔经由引流道流至后续工序容器中 。
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