CN109470059B - 一种真空熔炼加料方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空熔炼加料方法，仅需一次性向所有储料桶中全部加满原料，即可离开熔炼炉区域去进行其他的作业，无需浪费其余工作时间在熔炼炉处进行等待，实现提高真空熔炼炉加料室作业的集中性、降低工人加料所耗费的时间，提高整体加料效率的目的。还能够有效阻隔热量从熔炼炉本体内向气动闸板阀之间的传递，使得真空熔炼炉本体与气动闸板阀之间的热传导效率被极大的降低，热量需要经过层层阻隔才能够到达气动闸板阀处，以此解决了现有技术中高温熔炼炉本体加料室内的气动闸板阀受高温影响使用寿命较低的问题，实现了提高对气动闸板阀的保护、延长气动闸板阀使用寿命的目的。

Description

一种真空熔炼加料方法

技术领域

本发明涉及真空熔炼领域，具体涉及一种真空熔炼加料方法。

背景技术

真空熔炼是指在真空条件下进行熔炼的特种熔炼技术。主要包括真空感应熔炼、真空电弧重熔和电子束熔炼。随着现代科学技术的飞跃发展，特别是伴随着宇航、海洋开发、能源开发及电子工业的迅速进展，对金属材料或非金属材料的品种、产量、尤其是质量提出了越来越高的要求。对于真空熔炼而言，其熔炼炉的进料结构要比普通常用熔炼炉的进料机构复杂的多，因为真空熔炼炉的进料机构即要保证把原料输送到指定的位置，又要保证系统的真空度不被破坏。目前真空熔炼炉的进料主要有两种方式，第一种是一次性将需要熔炼的原料全部加入到系统内，在整个熔炼过程中不再补充加料，从而保证系统真空度不被影响，但是每次原料熔炼结束，必须把整个系统真空度破坏，重新加入新的原料，因此，采用这种加料机构的熔炼炉无法实现连续生产，生产效率比较低。另一种进料是采用加料室加料的方式，熔炼室和加料室之间用阀门进行分隔，在需要进行二次加料的时候，熔炼室仍保持真空状态，只将加料室与大气连通，完成加料后，再对加料室先抽真空，当加料室达到一定的真空度后，再将加料室和熔炼室连通，开始再次熔炼，因此，可以实现传统的连续加料和连续熔炼。然而这种传统的所谓连续加料，是指对熔炼过程中的二次或三次加料，在向加料室内添加原料时，仍然会存在进度慢、连续性低、加料室敞开时间过长等问题，并且每次加料都需要工人人工长时间的在加料室上进行体力作业，人力时间耗费较大，相邻两次加料之间工人又无法离开加料室，需要随时准备下一次的加料，导致工人时而忙碌时而空闲，反而整体效率低下，时间利用率极低。并且现有技术中，在真空熔炼炉内部的坩埚打制完毕后，需要采用石墨芯对其进行高温干燥，干燥温度一般在1300℃，导致周围环境温度很高。由于气动闸板阀离石墨芯距离较近，因此温度对气动闸板阀影响较大，影响气动闸板阀的气缸使用寿命，影响真空熔炼炉的加料室的工作稳定性、导致维护成本极高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空熔炼加料方法，以解决现有技术中真空熔炼炉采用加料室加料时对于加料过程的连续性低，工人的时间利用率极低、同时加料室内的气动闸板阀受高温影响使用寿命较低的问题，实现提高真空熔炼炉加料室作业的集中性、降低工人加料所耗费的时间、提高整体加料效率，同时提高对气动闸板阀的保护、延长气动闸板阀使用寿命的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种真空熔炼加料方法，包括以下步骤：

(a)在真空熔炼炉的加料室内设置球阀，使球阀位于气动闸板阀的下方，并在加料室的顶部开设加料口；

(b)在加料口上方设置若干个底部带有电控阀的、两端敞口的储料桶，使其中一个储料桶正对加料口，打开加料室内的球阀，通过正对加料口的储料桶，向真空熔炼炉内添加初始硅料；关闭球阀、气动闸板阀，对真空熔炼炉内抽真空，开始熔炼作业；

(c)关闭所有电控阀，向所有储料桶内加满硅料；

(d)待需要添加硅料时，使一个储料桶正对加料口，打开此时正对加料口的储料桶内的电控阀，使该储料桶内的硅料通过加料口进入加料室内的气动闸板阀上方，并通过该储料桶总重量的变化实时监测硅料的添加量；若一个储料桶内的硅料全都进入加料室内中，仍未达到合适的添加量，则使用另一个加满了硅料的储料桶，从加料口处继续加料，直至达到合适的添加量；

(e)封闭加料口，对加料室内气动闸板阀上方的空间抽取真空，并在此时通过恒压管连通气动闸板阀上下两侧的加料室空间，直至气动闸板阀上下两侧的气压均与真空熔炼炉内气压相等；

(f)打开气动闸板阀，使添加的硅料落入气动闸板阀下方的加料室内；再打开球阀，使添加的硅料进入真空熔炼炉中；待添加的硅料完全进入真空熔炼炉中后，关闭球阀，继续进行真空熔炼。

本方法的优点在于仅需一次性将所有储料桶中加满硅料，工人即可去从事其他作业，后续的储料桶的调整完全能够通过机电一体的自动控制得以实现，如通过PLC进行控制即可，工人无需浪费其余工作时间在熔炼炉处进行等待，因此本发明能够高效的解决现有技术中真空熔炼炉采用加料室加料时对于加料过程的连续性低，工人整体工作效率低下、时间利用率极低的问题，实现提高真空熔炼炉加料室作业的集中性、降低工人加料所耗费的时间，提高整体加料效率的目的。此外，本方法由于有球阀的存在，能够有效阻隔热量从熔炼炉本体内向气动闸板阀之间的直接传递，对于熔炼过程中熔炼炉本体内的高温、以及真空熔炼炉本体内部的坩埚打制完毕后的石墨芯高温干燥作业过程，都能够极大的降低对气动闸板阀的热浪冲击、降低高温对气动闸板阀的气缸的直接影响与干扰，使得真空熔炼炉本体与气动闸板阀之间的热传导效率被极大的降低，热量需要经过层层阻隔才能够到达气动闸板阀处，以此解决了现有技术中高温熔炼炉本体加料室内的气动闸板阀受高温影响使用寿命较低的问题，实现了提高对气动闸板阀的保护、延长气动闸板阀使用寿命的目的。

优选的，若干个储料桶均放置在转盘上，每个储料桶的下方都设置有贯穿转盘的通孔，通过电机驱动转盘转动，使得不同的储料桶能够依次位于加料口的正上方。本方案通过转动转盘实现不同储料桶依次正对加料口上方，从而使得不同储料桶逐一下料。

优选的，若干个储料桶在转盘上沿周向均匀分布，所述电机为步进电机，电机连接有控制器，控制器向电机发送一次信号，电机驱动转盘沿顺时针方向转动α°，其中α为相邻两个储料桶在转盘上的圆心角。本方案给出了更加智能自动的控制方式，即能够控制器控制电机，从而由电机驱动转盘转动。其中控制器能够根据每个储料桶的总重量，判断储料桶是否是空桶，并对加料量进行计量，以此实现精确而稳定的自动控制效果。

优选的，每个储料桶都配备有识别码，通过扫描储料桶上的识别码，判断是哪一个储料桶位于加料口上。即是通过识别码对每一个储料桶标识不同的身份，并通过扫描的方式进行识别，进一步提高本发明的自动化和智能化程度。

优选的，所述球阀的阀体由内至外包括基体部、硅酸铝纤维层、高温绝热层、钛合金层。本方案中对球阀阀体的材质结构进行了限定，其中基体部为阀体的主体部分，基体部外首先是硅酸铝纤维层，硅酸铝纤维具有极低的导热率、优良的热稳定性和化学稳定性，具有传统纤维所不具有的优良特性。硅酸铝纤维在现有技术中大都用于抗机械震动、隔声、电绝缘等领域，而本申请中用于球阀上，能够有效降低转动球的热传导系数，提高对气动闸板阀的热保护。高温绝热层作为主要的绝热层，用于进一步降低球阀的导热性能。钛合金层为转动球的最外层结构，用于确保球阀外表面具有足够的强度，降低工业硅熔炼过程中原料对转动球的磨损率，确保本发明更加适用于工业硅的真空熔炼作业。本方案为针对工业硅的真空冶炼所专门研发的球阀，相较于现有技术中的球阀阀芯具有突出的实质性特点和显著进步。

进一步的，所述高温绝热层包括如下重量百分比的组份：硅藻土：蛭石：石棉：粘合剂＝60:10:10:20。本方案中对球阀中的高温绝热层作出了进一步限定，高温绝热层中硅藻土的重量占到了整体重量的60％，硅藻土属硅质岩类岩石，是本方案中针对工业硅熔炼所专门选用，相较于现有技术中直接使用含碳钢材的材质，能够有效避免对工业硅熔炼过程可能导致的污染，同时可以利用硅藻土内部的特殊多孔特性，使得高温绝热层的隔热性能有显著提高。蛭石的重量占比为10％，蛭石属于硅酸盐矿物，同样能够降低对工业硅熔炼的污染，其晶体结构为单斜晶系，在高温绝热层中起到骨架的作用，晶体构建成的间隙之间能够使得硅藻土进行充填，同时在显微镜下观察可以得到晶体骨架之间会留下大量微小孔洞，因此能够进一步降低导热率。石棉作为常见的硅酸盐矿物，不仅能够起到常规的隔热作用，还能够有效的防火阻燃，提高本发明加料室的使用安全性。粘合剂用于粘合硅藻土、蛭石和石棉，其重量占比为20％，以确保本方案中高温绝热层的结构稳定和内应力分布稳定。

进一步的，所述基体部、硅酸铝纤维层、高温绝热层、钛合金层的厚度比为10:2:4:1。本方案的发明点在于通过厚度比的精确控制，突显球阀的整体隔热性能，其中硅酸铝纤维层、高温绝热层相对较厚，而钛合金层的厚度相对较低，从而避免热量直接从外表面的钛合金层中大量传递，使得绝大多数的热量都需要穿过转动球进行传导，以此确保转动球优良的隔热效果。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种真空熔炼加料方法，仅需一次性将所有储料桶中加满硅料，工人即可去从事其他作业，后续的储料桶的调整完全能够通过机电一体的自动控制得以实现，如通过PLC进行控制即可，工人无需浪费其余工作时间在熔炼炉处进行等待，因此本发明能够高效的解决现有技术中真空熔炼炉采用加料室加料时对于加料过程的连续性低，工人整体工作效率低下、时间利用率极低的问题，实现提高真空熔炼炉加料室作业的集中性、降低工人加料所耗费的时间，提高整体加料效率的目的。

2、本发明用于工业硅生产的真空熔炼炉本体稳定型进料加料结构，由于有球阀的存在，能够有效阻隔热量从熔炼炉本体内向气动闸板阀之间的直接传递，对于熔炼过程中熔炼炉本体内的高温、以及真空熔炼炉本体内部的坩埚打制完毕后的石墨芯高温干燥作业过程，都能够极大的降低对气动闸板阀的热浪冲击、降低高温对气动闸板阀的气缸的直接影响与干扰，使得真空熔炼炉本体与气动闸板阀之间的热传导效率被极大的降低，热量需要经过层层阻隔才能够到达气动闸板阀处，以此解决了现有技术中高温熔炼炉本体加料室内的气动闸板阀受高温影响使用寿命较低的问题，实现了提高对气动闸板阀的保护、延长气动闸板阀使用寿命的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为本发明具体实施例中转盘的俯视图；

图4为本发明具体实施例中加料室的俯视图；

图5为本发明具体实施例中加料室的结构示意图；

图6为图5中B处的局部放大图；

图7为本发明具体实施例中转动球的层状示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-熔炼炉本体，2-加料室，3-气动闸板阀，4-加料口，5-驱动装置，6-转盘，7-气密阀，8-第一通孔，9-储料桶，10-电控阀，11-编号标识牌，12-识别装置，13-橡胶密封圈，14-直线导轨，15-配重块，16-水平仪，17-锥形通道，18-转动球，181-基体部，182-硅酸铝纤维层，183-高温绝热层，184-钛合金层，19-第二通孔，20-转轴，21-旋转手柄，211-木材部，212-陶瓷部，213-绝热腔，22-衡压管，23-安装块，24-阀板，25-挡块，26-弹簧。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1至图7所示，包括熔炼炉本体1、设置在熔炼炉本体1上方的加料室2，所述加料室2与熔炼炉本体1之间设置气动闸板阀3，所述加料室2内设置位于气动闸板阀3下方的锥形通道17，所述锥形通道17上大下小，锥形通道17下方连接球阀，所述球阀包括转动球18、转轴20、旋转手柄21，所述转动球18位于锥形通道17下方，转动球18上设置第二通孔19，所述第二通孔19的轴线过转动球18的球心，所述转动球18与转轴20固定连接，所述转轴20伸出至加料室2外部，转轴20位于加料室2外部的一端固定连接旋转手柄21；还包括衡压管22，所述衡压管22位于加料室2外部，衡压管22的一端与锥形通道17连通、另一端与气动闸板阀3上方的加料室2内部连通，所述衡压管22内设置单向阀，所述单向阀的连通方向为从锥形通道17至加料室2的方向；所述加料室2顶部还设置加料口4，加料口4与加料室2内部连通，加料口4内设置气密阀7，还包括设置在加料室2顶部的驱动装置5，驱动装置5上方设置转盘6，所述驱动装置5用于驱动转盘6转动，所述转盘6上环形分布N个第一通孔8，其中N≥4，每个第一通孔8上方都设置有固定在转盘6上的储料桶9，所述储料桶9与对应的第一通孔8连通，储料桶9内部低位设置电控阀10；所述加料口4位于N个第一通孔8围绕形成的圆环的正下方；每个第一通孔8均设置有一个编号标识牌11，所述编号标识牌11位于转盘6底面，所述加料口4外侧壁设置识别装置12，所述识别装置12用于识别所述编号标识牌11，当一个编号标识牌11正对识别装置12时，该编号标识牌11所对应的第一通孔8正对所述加料口4；还包括控制器，所述控制器的输入端与识别装置12相连，所述控制器的输出端与各电控阀10相连，所述控制器用于控制各电控阀10的开启与关闭。本实施例中所述气密阀7为蝶阀。所述驱动装置5为步进电机。相邻两个第一通孔8之间所对应的圆心角为60°。所述加料口4呈上大下小的漏斗状。

本实施例使用时工人仅需一次性向所有储料桶9中全部添加原料并保持所有电控阀均处于关闭状态，此时后续所需添加的所有原料均暂存在储料桶9内，当需要向熔炼炉本体1中添加原料时，首先打开加料口4中的气密阀7，通过驱动装置转动转盘，当识别装置识别到任一编号标识牌时，停止转盘转动，此时该编号识别牌所对应的第一通孔正对所述加料口4，识别装置向控制器发送信号，控制器控制该编号识别牌所对应的第一通孔上方的储料桶9内的电控阀打开，位于该储料桶9内的原料在重力作用下自动下落，通过对应的第一通孔进入加料口4中。其中转盘转动的停止也可以通过控制器接收到识别装置的信号后由控制器进行控制。由于气密阀7处于打开状态，因此进入加料口4中的原料会通过加料口4进入加料室2内，待加料室2内有足够的原料后，关闭气密阀7和正在下料的储料桶9中的电控阀，加料室2内成为密闭空间，对气动闸板阀3上方的加料室2抽取真空，由于气动闸板阀3上方的加料室2内气压不断降低，而相对的锥形通道17中的气压更高，因此锥形通道17中的空气会通过衡压管、穿过单向阀进入加料室2内，直至气动闸板阀3上下两侧气压相等且都达到与真空熔炼炉本体1内的气压一致为止，此时即可打开气动闸板阀3、并通过旋转手柄使得通孔将转动球上下连通，此时对于真空熔炼炉本体1而言，整体气压保持稳定，不会出现波动，因此不会对正在进行的真空熔炼作业带来干扰或破坏。此时原料直接进入锥形通道17内，沿着锥形通道17快速下落、并通过转动球上的通孔进入下方的真空熔炼炉本体1内，从而实现熔炼过程中的加料作业。

实施例2：

如图1至图7所示，在实施例1的基础上，转动球18由内至外包括基体部181、硅酸铝纤维层182、高温绝热层183、钛合金层184。所述高温绝热层183包括如下重量百分比的组份：硅藻土：蛭石：石棉：粘合剂＝60:10:10:20。所述基体部181、硅酸铝纤维层182、高温绝热层183、钛合金层184的厚度比为10:2:4:1。所述单向阀包括铰接在衡压管22内壁的两块阀板24，所述阀板24朝向锥形通道17的一侧设置固定在衡压管22内壁的挡块25，所述阀板24朝向加料室2的一侧连接弹簧26，所述弹簧26远离阀板24的一端固定在安装块23上，所述安装块23固定在衡压管22内壁；当阀板24两侧压力相等时，所述弹簧26处于自然状态，两块阀板24共同封闭衡压管22。所述编号标识牌11为条形码，所述识别装置12为射频识别器。所述旋转手柄21为圆柱体，旋转手柄21的轴线与转轴20的轴线共线，旋转手柄21沿轴线方向分为木材部211、陶瓷部212，其中木材部211与转轴20相邻。所述木材部211内设置若干绝热腔213，所述绝热腔213内充填氮气。还包括设置在所述转盘6上表面的水平仪16、直线导轨14，所述直线导轨14过转盘圆心，直线导轨14上设置配重块15，所述配重块15能够在所述直线导轨14上移动。所述直线导轨14为齿条，所述配重块15内置马达，马达的驱动端与齿轮相连，所述齿轮与所述齿条啮合。其中所述基体部181为不锈钢材料。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种真空熔炼加料方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）在真空熔炼炉的加料室内设置球阀，使球阀位于气动闸板阀的下方，并在加料室的顶部开设加料口；

（b）在加料口上方设置若干个底部带有电控阀的、两端敞口的储料桶，使其中一个储料桶正对加料口，打开加料室内的球阀，通过正对加料口的储料桶，向真空熔炼炉内添加初始硅料；关闭球阀、气动闸板阀，对真空熔炼炉内抽真空，开始熔炼作业；

（c）关闭所有电控阀，向所有储料桶内加满硅料；

（d）待需要添加硅料时，使一个储料桶正对加料口，打开此时正对加料口的储料桶内的电控阀，使该储料桶内的硅料通过加料口进入加料室内的气动闸板阀上方，并通过该储料桶总重量的变化实时监测硅料的添加量；若一个储料桶内的硅料全都进入加料室内中，仍未达到合适的添加量，则使用另一个加满了硅料的储料桶，从加料口处继续加料，直至达到合适的添加量；

（e）封闭加料口，对加料室内气动闸板阀上方的空间抽取真空，并在此时通过恒压管连通气动闸板阀上下两侧的加料室空间，直至气动闸板阀上下两侧的气压均与真空熔炼炉内气压相等；

（f）打开气动闸板阀，使添加的硅料落入气动闸板阀下方的加料室内；再打开球阀，使添加的硅料进入真空熔炼炉中；待添加的硅料完全进入真空熔炼炉中后，关闭球阀，继续进行真空熔炼。

2.根据权利要求1所述的一种真空熔炼加料方法，其特征在于，若干个储料桶均放置在转盘上，每个储料桶的下方都设置有贯穿转盘的通孔，通过电机驱动转盘转动，使得不同的储料桶能够依次位于加料口的正上方。

3.根据权利要求2所述的一种真空熔炼加料方法，其特征在于，若干个储料桶在转盘上沿周向均匀分布，所述电机为步进电机，电机连接有控制器，控制器向电机发送一次信号，电机驱动转盘沿顺时针方向转动α°，其中α°为相邻两个储料桶在转盘上的圆心角。

4.根据权利要求1所述的一种真空熔炼加料方法，其特征在于，每个储料桶都配备有识别码，通过扫描储料桶上的识别码，判断是哪一个储料桶位于加料口上。

5.根据权利要求1所述的一种真空熔炼加料方法，其特征在于，所述球阀的阀体由内至外包括基体部、硅酸铝纤维层、高温绝热层、钛合金层。

6.根据权利要求5所述的一种真空熔炼加料方法，其特征在于，所述高温绝热层包括如下重量百分比的组份：硅藻土：蛭石：石棉：粘合剂=60:10:10:20。

7.根据权利要求5所述的一种真空熔炼加料方法，其特征在于，所述基体部、硅酸铝纤维层、高温绝热层、钛合金层的厚度比为10:2:4:1。