CN107621169A - 一种小型真空感应熔炼炉及其熔炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型真空感应熔炼炉及其熔炼方法，包括熔炼系统和气氛保护室，熔炼系统包括耐热容器、感应线圈、红外测温器、感应电源、低抽速真空泵和烟管；耐热容器固定在气氛保护室内，感应线圈包绕设置在耐热容器的外壁，并与感应电源通电连接，红外测温器设置在气氛保护室外对耐热容器内部进行红外测温，并通过PID控制器与感应电源的控制电路反馈连接；低抽速真空泵的抽风口通过烟管延伸对接到耐热容器上方与红外测温器之间的区域。本发明主要适用于金属试样重量小于100g时的熔炼，并且有精确的温控系统，且不需要使用耐火材料进行保温，解决了现有感应熔炼炉熔化体积大，耐火保温结构复杂、要求高，且温度控制欠佳的技术问题。

Description

一种小型真空感应熔炼炉及其熔炼方法

技术领域

本发明属于实验室用金属熔炼技术，具体涉及一种小型真空感应熔炼炉及其熔炼方法。

背景技术

在钢铁冶金行业中，熔炼技术不断的发展，主流的炼钢技术有转炉炼钢和电炉炼钢两种。电炉炼钢主要适用于电价便宜、废钢为主的小规模熔炼，特别是和短流程工艺中薄板坯连铸连轧技术相结合的生产流程，使得电炉炼钢在欧美国家得到了迅猛发展。现阶段，我国主要采用氧气底吹转炉炼钢，电炉炼钢的普及率还不是很高。但随着我国能源工业的发展，电力资源会变得越来越廉价，且我国汽车工业迅猛发展势必极大丰富我国未来的废钢资源，电炉炼钢在未来将有很大的发展空间。

真空感应熔炼炉是电炉的一种，一般适用于小规模、高质量要求的特种钢冶炼，近年来已经得到了很大的发展。如申请号为201320782756.7的中国专利文件公开了一种真空感应熔炼炉，对真空熔炼炉在熔炼不同重量的炉料时合理地控制了其所对应的所需输入电源和输入功率，减少了不必要的能源损耗并由此相对地提高了真空熔炼炉的熔炼速率。申请号为201520337865.7的中国专利文件公开了一种真空感应熔炼炉，将散热设计上主要通过储水池储水，扇热后的水可循环到储水池内反复使用，节约水资源，降低生产成本。申请号为201620391217.4的中国专利文件公开了一种真空感应熔炼炉，对真空感应熔炼炉进行结构优化，使得检修变得更加方便。

上述现有的真空感应熔炼炉都是采用较大内置耐火容器，一般试用熔炼金属质量10kg以上，炉体均大量采用了耐火保温材料，这些耐火材料通常需要配套布置较为复杂的结构才能有效保温及隔热，造价较高，并且感应炉均在熔炼结束后金属降温极为缓慢，不能对温度进行精准监测和调控，不利于对金属材料实验研发时的少量熔炼，容易造成金属浪费。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的真空感应熔炼炉存在的不适用与实验室小批量金属熔炼实验的技术问题，提供一种小型真空感应熔炼炉及其熔炼方法，适用于重量在100g以下的金属熔炼实验。

本发明采用如下技术方案实现：

一种小型真空感应熔炼炉，包括熔炼系统和气氛保护室21，所述熔炼系统包括耐热容器11、感应线圈12、红外测温器13、感应电源14、低抽速真空泵15和烟管16；所述耐热容器11固定在气氛保护室21内，所述感应线圈12包绕设置在耐热容器11的外壁，并与感应电源14通电连接，所述红外测温器13设置在气氛保护室21外对耐热容器11内部进行红外测温，并通过PID控制器与感应电源14的控制电路反馈连接；所述低抽速真空泵15的抽风口通过烟管16延伸对接到耐热容器11上方与红外测温器13之间的区域。

进一步的，所述气氛保护室21和耐热容器11的截面积比为200-250：1。

进一步的，所述耐热容器11通过耐热金属丝31沿气氛保护室中轴线悬吊在气氛保护室21的上盖下方，所述气氛保护室21的上盖上设有供红外测温器的红外线穿透的视窗。

优选的，所述耐热金属丝31采用钨丝或钛丝。

进一步的，所述感应线圈12为金属管线，管线内填充流循环流通的冷却介质。

在本发明的一种小型真空感应熔炼炉中，所述低抽速真空泵15的出风口位于气氛保护室21外，所述气氛保护室21具有可调流量的进气口24和出气口25。

进一步的，所述气氛保护室21还与用于抽真空的高抽速真空泵22连接。

进一步的，所述气氛保护室21上还设有气压计23。

本发明还公开了一种上述小型真空感应熔炼炉的熔炼方法，包括如下步骤：

第一步，气氛控制，将小于100g的金属试样放置在耐热容器11内，关闭气氛保护室21的进气口24和出气口25，用高抽速真空泵22排出气氛保护室内空气，将气氛保护室内气压抽至1-10Pa，然后停止抽气，从进气口24通入高纯氩气至气氛保护室21内压力达到标准大气压，调小进气口24的氩气流量；

第二步，温度控制，将熔炼目标温度设置好，启动感应电源14及红外测温器13，在耐热容器11升温过程中，若金属试样表面冒烟则开启低抽速真空泵15开启，通过烟管16使金属表面的烟雾迅速排走，从而不会影响红外测温，开启低抽速真空泵15的同时，调大进气口的氩气流量，使气氛保护室21内的气压保持稳定；

第三步，恒温熔炼，当熔炼系统稳定达到熔炼目标温度后，保持对金属试样的恒温熔炼；

第四步，降温冷却，关闭感应电源14和低抽速真空泵15，开启感应线圈12中的冷却介质，将气氛保护室21的进气口氩气流量调大，同时打开出气口25，待金属试样冷却至常温后取出。

具体的，所述高抽速真空泵22的抽速为8-10L/s，所述低抽速真空泵15的抽速为0.5-1L/s。

本发明采用非接触式红外测温则很好的解决了高温熔体实时测温的技术难题，但金属熔炼时常伴随着活泼活性元素的挥发，这些会带来烟雾干扰红外测温的准确性。采用本发明中所述低抽速真空泵及管道能吸走烟雾，有效解决上述问题。从而在实现精确测温的前提下，使用带有高精确度PID控制器的感应电源，实现功率自适应调节，使熔炼温度恒定在目标温度正负1度。另外，本发明采用的感应线圈直径与气氛保护室直径配合，能免去耐火材料的使用，且较小的耐热容器能适用于少量金属物料(小于100g)的熔炼。

由上所述，本发明主要具有以下有益效果：

1)设备简单。本发明感应熔炼炉部件少，结构简单，使用方便，可有效针对实验室条件进行组装设计。

2)精度高、成本低。本发明作为一种专门用于100g以下金属熔炼的装置，配备有专门的测温及控温装置，能实现±1℃的控温精度，且冷却速度快，能有效减少能源及时间消耗。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的一种小型真空感应熔炼炉的的结构示意图。

图中标号：11-耐热容器，12-感应线圈，13-红外测温器，14-感应电源，15-低抽速真空泵，16-烟管；

21-气氛保护室，22-高抽速真空泵，23-气压计，24-进气口，25-出气口；

31-耐热金属丝；

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的一种小型真空感应熔炼炉为本发明的优选方案，在实验室中对100g以下的试样金属进行高温熔炼实验。

该小型真空感应熔炼炉包括熔炼系统、气氛控制系统两大部分，其中熔炼系统包括耐热容器11、感应线圈12、红外测温器13、感应电源14、低抽速真空泵15、烟管16；气氛控制系统包括气氛保护室21、高抽速真空泵22、气压计23、进气口24、出气口25。

耐热容器11采用石墨、石英、高熔点金属其中任意一种坩埚，固定设置在气氛控制系统的气氛保护室21内，并且与气氛保护室21的任何内壁直接接触，在气氛保护室21内填充保护气体，使得耐热容器11和气氛保护室21之间通过填充的保护气体隔离。

感应线圈12为紫铜材质，线圈的直径为90mm，紧贴包绕在耐热容器11外壁，与感应电源14通电连接，感应电源14将感应线圈通电后，对耐热容器进行电感应加热。感应电源14采用中频电源、高频电源其中任意一种，均带有控制感应电源14工作功率的PID控制器。感应线圈12采用纯铜管线绕制，在纯铜管线内部通循环水进行冷却，循环水从感应线圈的一端流进，另一端流出，循环水在感应线圈12加热时停止，停止加热后，通入循环水对耐热容器进行快速冷却。

红外测温器13采用单色测温仪、双色测温仪其中任意一种，其发射端红外线直射耐热容器11内部，红外测温器13为非接触试测温方案，有效范围为500-2100℃，且能实时对耐热容器内部的熔融金属温度实施监控。红外测温器13通过信号线与感应电源14的PID控制器通信连接，将检测到的耐热容器的实时温度信号反馈至PID控制器，通过与设定的熔炼温度比较，进而控制感应电源14的功率输出。

耐热容器11的内腔能够放置少于100g金属试样，用感应线圈12和感应电源14对金属试样进行加热，红外测温器13进行测温，并将温度数据反馈给感应电源14的PID控制器对功率进行调整，使金属试样加热到目标熔炼温度恒定，采用上述技术方案能够在1500℃恒温时误差为±1℃。

红外测温器13固定设置在气氛保护室21外侧，如图1中所示，红外测温器的红外发射端竖直朝下射入气氛保护室内，耐热容器11通过耐热金属丝31悬吊在气氛保护室21的上盖下方，耐热金属丝31采用熔点比金属试样要高的钨丝或钛丝，不易被耐热容器11的高温熔断。红外测温器13竖直向下设置，在气氛保护室21的上盖对应位置设有供红外线穿透的视窗。

由于金属在高温熔炼的过程中，内含的杂质会在高温下熔化产生烟雾，该烟雾会向上飘散，造成对红外测温器13发出的红外线的干扰，影响对熔炼金属的实时温度监测。本实施例的熔炼系统设置有低抽速真空泵15，该低抽速真空泵15的抽风口通过烟管15延伸对接到耐热容器11上方与红外测温器13之间的区域。如图1中所示，烟管15采用直径为1mm的金属钢管，固定架设在气氛保护室21内，一端位于耐热容器11的上端开口一侧，另一端延伸至与气氛保护室21外部设置的低抽速真空泵15的抽风口，将金属物料融化时产生的烟雾从低抽速真空泵15的出风口排出气氛保护室，从而避免红外测温受该烟雾的干扰。

由于气氛保护室内的保护气体气压是金属熔炼的重要因素，在实验过程中应当要保证气氛保护室内的气氛压力稳定，随着低抽速真空泵15的排放烟雾，为了消除其排放的部分保护气体，本实施例在气氛保护室21上设置有可调流量的进气口24和出气口25，同时还在气氛保护室21上设有气压计23，用于实验人员实时观测气氛保护室21内的气压。当开启了低抽速真空泵后，根据气压表的变化，实时调大进气口24的保护气体进气流量，保证气氛保护室21内部的压力平稳。

本实施例的气氛保护室21采用不锈钢材质的圆柱体，直径为850mm，一般可将耐热容器11的外径设置为54mm，两者的截面积比为247：1，实际应用中可选在截面积比在200-250：1，这样气氛保护室21的直径与耐热容器11外包绕的感应线圈直径相差很大，而熔炼的金属量很小，气氛保护室内壁和耐热容器之间的环形空间在熔炼过程中通常填充导热性很差的惰性气体作为保护气氛，所以不需要在气氛保护室21的外壁再设置复杂的耐火保温结构和材料，气氛保护室21炉壁表面在金属熔炼过程中的温度依然较低。

气氛保护室21上设置的气压计23选用机械式气压计。

气氛保护室21还与高抽速真空泵22连接，通过高抽速真空泵22能够快速将气氛保护室21内部的空气抽出，然后通过进气口24通入惰性气体形成保护气氛。

本实施例中所指的高抽速真空泵22选用机械泵，其抽速为8L/s，这样的抽速能够较迅速的将气氛保护室内部形成接近真空，提高实验效率；对应的低抽速真空泵15同样选用机械泵，其抽速为1L/s，这样的抽速对金属熔炼形成的烟雾进行排除，同时还能够避免气氛保护室内部的气压产生较大突变。

操作本实施例的小型真空感应熔炼炉的熔炼方法包括如下步骤：

第一步，气氛控制，将小于100g的金属试样放置在耐热容器11内，关闭气氛保护室21的进气口24和出气口25，用高抽速真空泵22排出气氛保护室内空气，将气氛保护室内气压抽至1-10Pa，然后停止抽气，从进气口24通入高纯氩气至气氛保护室21内压力达到标准大气压，调小进气口24的氩气流量；

第二步，温度控制，将熔炼目标温度设置好，启动感应电源14及红外测温器13，在耐热容器11升温过程中，若金属试样表面冒烟则开启低抽速真空泵15开启，通过烟管16使金属表面的烟雾迅速排走，从而不会影响红外测温，开启低抽速真空泵15的同时，调大进气口的氩气流量，通过气压计23使气氛保护室21内的气压保持稳定；

第三步，恒温熔炼，当熔炼系统稳定达到熔炼目标温度后，保持对金属试样的恒温熔炼；

第四步，降温冷却，关闭感应电源14和低抽速真空泵15，开启感应线圈12中的冷却介质，将气氛保护室21的进气口氩气流量调大，同时打开出气口25，待金属试样冷却至常温后取出。

冷却降温速度很快，从熔炼温度1500摄氏度降至100摄氏度以下仅需要60min。

以下结合一个具体的实验实例对本实施例的熔炼方法做进一步阐述。

一，气氛控制：将80g工业纯铁和10g Cr放置在耐热容器内，关闭进出口，用高抽速真空泵将气氛保护室内气压抽至气压计接近于-0.1MPa(该压力值由气氛保护室上的气压计读取，为表值，不是气氛保护室内的实际压力，一般代表抽出一个标准大气压)，然后关闭高抽速真空泵和气氛保护室之间的阀门，停止抽气，从进气口以流速50L/s通入高纯氩气至气压计示数为0(即重新通入氩气使气氛保护室内部回复至一个标准大气压)，调小进气口氩气流量为0.5L/s。

二，温度控制：将目标温度1500摄氏度设置好，启动感应电源及及稳外测温仪，在升温过程中，将低抽速真空泵开启，通过管道使金属表面烟雾排走，从而不会影响测温；并将进气口氩气调大至1L/s，使炉内气压保持稳定。

三，恒温熔炼：当系统稳定后保持恒温熔炼60min。

四，降温冷却：关闭感应电源不关闭感应线圈中循环水及低抽速真空泵，将进气口氩气流速调大为5L/s，同时打开出气口，待金属冷却后取出。

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种小型真空感应熔炼炉，包括熔炼系统和气氛保护室(21)，其特征在于：所述熔炼系统包括耐热容器(11)、感应线圈(12)、红外测温器(13)、感应电源(14)、低抽速真空泵(15)和烟管(16)；

所述耐热容器(11)固定在气氛保护室(21)内，所述感应线圈(12)包绕设置在耐热容器(11)的外壁，并与感应电源(14)通电连接，所述红外测温器(13)设置在气氛保护室(21)外对耐热容器(11)内部进行红外测温，并通过PID控制器与感应电源(14)的控制电路反馈连接；所述低抽速真空泵(15)的抽风口通过烟管(16)延伸对接到耐热容器(11)上方与红外测温器(13)之间的区域。

2.根据权利要求1所述的一种小型真空感应熔炼炉，所述气氛保护室(21)和耐热容器(11)的截面积比为200-250：1。

3.根据权利要求2所述的一种小型真空感应熔炼炉，所述耐热容器(11)通过耐热金属丝(31)沿气氛保护室中轴线悬吊在气氛保护室(21)的上盖下方，所述气氛保护室(21)的上盖上设有供红外测温器的红外线穿透的视窗。

4.根据权利要求3所述的一种小型真空感应熔炼炉，所述耐热金属丝(31)采用钨丝或钛丝。

5.根据权利要求1所述的一种小型真空感应熔炼炉，所述感应线圈(12)为金属管线，管线内填充流循环流通的冷却介质。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种小型真空感应熔炼炉，所述低抽速真空泵(15)的出风口位于气氛保护室(21)外，所述气氛保护室(21)具有可调流量的进气口(24)和出气口(25)。

7.根据权利要求6所述的一种小型真空感应熔炼炉，所述气氛保护室(21)还与用于抽真空的高抽速真空泵(22)连接。

8.根据权利要求7所述的一种小型真空感应熔炼炉，所述气氛保护室(21)上还设有气压计(23)。

9.一种权利要求8中的小型真空感应熔炼炉的熔炼方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，气氛控制，将小于100g的金属试样放置在耐热容器(11)内，关闭气氛保护室(21)的进气口(24)和出气口(25)，用高抽速真空泵(22)排出气氛保护室内空气，将气氛保护室内气压抽至1-10Pa，然后停止抽气，从进气口(24)通入高纯氩气至气氛保护室(21)内压力达到标准大气压，调小进气口(24)的氩气流量；

第二步，温度控制，将熔炼目标温度设置好，启动感应电源(14)及红外测温器(13)，在耐热容器(11)升温过程中，若金属试样表面冒烟则开启低抽速真空泵(15)开启，通过烟管(16)使金属表面的烟雾迅速排走，从而不会影响红外测温，开启低抽速真空泵(15)的同时，调大进气口的氩气流量，使气氛保护室(21)内的气压保持稳定；

第三步，恒温熔炼，当熔炼系统稳定达到熔炼目标温度后，保持对金属试样的恒温熔炼；

第四步，降温冷却，关闭感应电源(14)和低抽速真空泵(15)，开启感应线圈(12)中的冷却介质，将气氛保护室(21)的进气口氩气流量调大，同时打开出气口(25)，待金属试样冷却至常温后取出。

10.根据权利要求9中所述的一种小型真空感应熔炼炉的熔炼方法，所述高抽速真空泵(22)的抽速为8-10L/s，所述低抽速真空泵(15)的抽速为0.5-1L/s。