CN109654879B - 一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置。该混沌搅拌装置包括炉体，炉体内设置水冷铜坩埚；水冷铜坩埚上表面中心为一凹槽，用于放置金属原料，内部为中空腔体；中空腔体内，凹槽正下方，设置回水管；回水管上端竖直向上，并水平设置过滤网，过滤网与凹槽之间放置球形磁体；水冷铜坩埚一侧设置第一进水管道、第一出水管道；第一进水管道连接至中空腔体，第一出水管道连接至回水管底部，使水冷铜坩埚内形成一个水流通道，通入冷却水，利用冷却水流的不稳定性，使球形磁体位置不断变化，磁力作用下，使凹槽内的金属发生旋转，底部的固态部分不断翻转重新被熔炼。本发明的混沌搅拌装置能够缩短熔炼步骤，节省熔炼时间，提升熔炼效率。

Description

一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌的装置及方法
技术领域
本发明涉及等离子弧熔炼领域，特别是涉及一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置及方法。
背景技术
等离子弧熔炼是利用电极和原料之间产生集中和可控稳定化的等离子弧作为热源来熔化和精炼金属。等离子弧是一种高速流动的等离子体，具有能量集中的特点。熔炼中通常以钨电极作为阴极，被熔炼金属作为阳极，等离子弧与金属熔池表面接触处温度通常为5000-30000K，杂质作为熔渣或气体排除。等离子弧熔炼可以广泛选择炉内气氛，根据不同的需要可更换炉内气氛以实现特殊金属或合金的熔炼。
等离子弧熔炼过程大多采用水冷铜坩埚，坩埚底部金属与水冷铜坩埚直接接触，导致热量急剧散失不能达到熔化温度，致使坩埚底部金属部分保持固态，上部金属处于熔化态，中间部分金属处于流速缓慢的状态。若需对坩埚底部金属进行熔炼，需要把金属翻转，重新启动电路熔炼，增加了熔炼时间和成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置及方法，在水冷铜坩埚内部设置球形磁体，利用冷却水流的不稳定性，使球形磁体位置不断变化，使凹槽内的金属进行旋转，使底部的固态部分不断翻转重新被熔炼，缩短熔炼步骤，节省熔炼时间，提升熔炼效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置，所述装置包括炉体，所述炉体内设置有水冷铜坩埚，所述水冷铜坩埚的上表面中心处为一凹槽，用于放置金属原料；
所述水冷铜坩埚内部为中空腔体；在所述中空腔体内，所述凹槽正下方位置，设置有回水管；所述回水管上端竖直向上，在所述回水管上端水平设置有过滤网，所述过滤网与所述凹槽之间放置有球形磁体；所述水冷铜坩埚一侧设置有第一进水管道和第一出水管道
所述第一进水管道连接至所述中空腔体，所述第一出水管道连接至所述回水管底部，使所述水冷铜坩埚内形成一个水流通道。
可选的，所述凹槽正上方设置有钨电极和喷嘴，所述钨电极位于所述喷嘴内部。
可选的，所述喷嘴为下方开口的中空的圆柱形结构，在所述喷嘴的侧壁内侧沿圆周方向设置有圆环形腔体，所述圆环形腔体与第二进水管道和第二出水管道连通。
可选的，所述第一进水管道和第二进水管道连接至同一个进水阀门，所述第一出水管道和第二出水管道连接至同一个出水阀门。
可选的，所述回水管为一个圆柱形管道。
可选的，所述回水管的上端边缘与所述凹槽之间的竖直距离小于所述球形磁体的直径，使所述球形磁体限制在所述过滤网与所述凹槽形成的空间内。
还包括一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌方法，所述搅拌方法包括：
将金属原料放置在水冷铜坩埚的凹槽内；
启动钨电极，对所述水冷铜坩埚内的金属原料进行等离子弧熔炼；
开启进水阀门和出水阀门，不断地向所述水冷铜坩埚及喷嘴中注入冷却水，并不断排出所述水冷铜坩埚及所述喷嘴中的水。
可选的，所述开启进水阀门和出水阀门，不断地向所述水冷铜坩埚及喷嘴中注入冷却水，并不断排出所述水冷铜坩埚及所述喷嘴中的水，具体包括，开启所述进水阀门和所述出水阀门，设置所述进水阀门流速大于所述出水阀门流速，使注入的冷却水充满所述水冷铜坩埚和所述喷嘴，最终达到注入冷却水和排出冷却水的动态平衡。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
在炉体内部的水冷铜坩埚上设置用于熔炼金属的凹槽，并在凹槽正下方，水冷铜坩埚内部设置回水管，回水管端部设置过滤网，过滤网上放置球形磁体，通过不断向水冷铜坩埚内部注入冷却水，并不断排出，利用冷却水流的不稳定性，使球形磁体的位置不断发生变化，在磁力作用下，带动凹槽内部的金属进行翻转，从而使凹槽底部的固态部分金属不断翻转重新进行熔炼，实现连续熔炼，缩短熔炼步骤，节省熔炼时间，提升熔炼效率。
同时，通过不断的向包裹钨电极的喷嘴中注入和排出冷却水，保护喷嘴不会在等离子弧熔炼过程中，由于温度过高而受到损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置的结构示意图；
图2为本发明等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置中回水管、过滤网和球形磁体的俯视图；
图3为为本发明等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置中回水管、过滤网和球形磁体的立体结构图；
标号说明：1-炉体、2-进水阀门、3-钨电极、4-金属原料、5-球形磁体、6-过滤网、7-回水管、8-水冷铜坩埚、9-第一进水管道、10-第一出水管道、11-第二进水管道、12-第二出水管道、13-出水阀门、14-喷嘴、15-圆环形腔体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置及方法，利用冷却水流的不稳定性，使球形磁体位置不断变化进而使金属熔池内的金属不断旋转同时位置随之改变，使熔池底部固态部分不断翻转重新卷入熔池，实现连续熔炼，缩短熔炼步骤，节省熔炼时间，提升熔炼效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置的结构示意图，如图1所示，包括炉体1，所述炉体1内设置有水冷铜坩埚8，所述水冷铜坩埚8的上表面中心处为一凹槽，用于放置金属原料4；
所述水冷铜坩埚4内部为中空腔体；在所述中空腔体内，所述凹槽正下方位置，设置有回水管7；如图2，图3所示，所述回水管7上端竖直向上，在所述回水管7上端水平设置有过滤网6，所述过滤网6与所述凹槽之间放置有球形磁体5；所述水冷铜坩埚8一侧设置有第一进水管道9和第一出水管道10；
所述第一进水管道9连接至所述中空腔体，所述第一出水管道10连接至所述回水管7底部，使所述水冷铜坩埚8内形成一个水流通道。
所述凹槽正上方设置有钨电极3和喷嘴14，所述钨电极3位于所述喷嘴14内部。
所述喷嘴14为下方开口的中空的圆柱形结构，在所述喷嘴14的侧壁内侧沿圆周方向设置有圆环形腔体15，所述圆环形腔体15与第二进水管11道和第二出水管道12连通。
所述第一进水管道9和第二进水管道11连接至同一个进水阀门2，所述第一出水管道10和第二出水管道12连接至同一个出水阀门13。
所述回水管7为一个圆柱形管道。
所述回水管7的上端边缘与所述凹槽之间的竖直距离小于所述球形磁体5的直径，使所述球形磁体5限制在所述过滤网6与所述凹槽形成的空间内。
球形磁体5的大小、种类能够根据装置大小进行调节。
本发明还提供一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌方法，包括如下步骤：
步骤一：设备组装，将炉体1、钨电极3、水冷铜坩埚8、球形磁体5和过滤网6按要求组装完成，并进行调试。
步骤二：设备调试完成后，将金属原料4放置于水冷铜坩埚8凹槽内，打开冷却水；
步骤三：启动钨电极3，对水冷铜坩埚8内的金属原料4进行等离子弧熔炼；
步骤四：球形磁体5在水冷铜坩埚8内部，受到冷却水流的影响，在被限制的空间内做方向不定的横向或竖向移动，而等离子弧产生的磁场对水冷铜坩埚8内的球形磁体5产生磁力，使球形磁体5处于N、S级竖直上下的稳定位置状态。同时，球形磁体5对水冷铜坩埚8凹槽上内的金属熔体产生电磁力，推动其在水平方向顺时针或逆时针不断旋转。熔体在水平方向旋转的同时内部熔体竖直旋转，且位置在凹槽内不断变动，进而熔池底部与水冷铜坩埚接8触而凝固的部分不断翻转熔入熔池，熔炼完成。
本发明利用等离子弧产生的磁场对水冷铜坩埚8内的球形磁体5产生的电磁力，使球形磁体5处于N、S级竖直上下的稳定位置状态，从而利用球形磁体5本身的磁场产生的电磁力，作用在水冷铜坩埚8凹槽内的金属原料4熔体从而推动其水平顺时针或逆时针流动，促进合金成分均匀化和杂质元素扩散，达到提升等离子弧熔炼的效果，提高等离子弧熔炼的效率的目的。而且，球形磁体5在水冷铜坩埚8内部，受到冷却水流不稳定的影响，在被限制的空间内做方向无法确定的横向或纵向位置移动，进而使熔体在电磁力的影响下随着球形磁体5在水冷铜坩埚8凹槽内做方向不定的横向或纵向位置移动，导致底部与水冷铜坩埚8接触而凝固的熔体不断翻转重新熔入熔池，省去了翻面样品二次熔炼的步骤，节省了熔炼时间，提高了熔炼效率。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置，其特征在于，所述装置包括炉体，所述炉体内设置有水冷铜坩埚，所述水冷铜坩埚的上表面中心处为一凹槽，用于放置金属原料；
所述水冷铜坩埚内部为中空腔体；在所述中空腔体内，所述凹槽正下方位置，设置有回水管；所述回水管上端竖直向上，在所述回水管上端水平设置有过滤网，所述过滤网与所述凹槽之间放置有球形磁体；所述水冷铜坩埚一侧设置有第一进水管道和第一出水管道
所述第一进水管道连接至所述中空腔体，所述第一出水管道连接至所述回水管底部，使所述水冷铜坩埚内形成一个水流通道。
2.如权利要求1所述的一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置，其特征在于，所述凹槽正上方设置有钨电极和喷嘴，所述钨电极位于所述喷嘴内部。
3.如权利要求2所述的一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置，其特征在于，所述喷嘴为下方开口的中空的圆柱形结构，在所述喷嘴的侧壁内侧沿圆周方向设置有圆环形腔体，所述圆环形腔体与第二进水管道和第二出水管道连通。
4.如权利要求1所述的一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置，其特征在于，所述第一进水管道和第二进水管道连接至同一个进水阀门，所述第一出水管道和第二出水管道连接至同一个出水阀门。
5.如权利要求1所述的一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置，其特征在于，所述回水管为一个圆柱形管道。
6.如权利要求1所述的一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置，其特征在于，所述回水管的上端边缘与所述凹槽之间的竖直距离小于所述球形磁体的直径，使所述球形磁体限制在所述过滤网与所述凹槽形成的空间内。
7.一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌方法，应用于权利要求1-6任意一项所述的一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌装置，其特征在于，所述搅拌方法包括：
将金属原料放置在水冷铜坩埚的凹槽内；
启动钨电极，对所述水冷铜坩埚内的金属原料进行等离子弧熔炼；
开启进水阀门和出水阀门，不断地向所述水冷铜坩埚及喷嘴中注入冷却水，并不断排出所述水冷铜坩埚及所述喷嘴中的水。
8.如权利要求7所述的一种等离子弧熔炼复合永磁体混沌搅拌方法，其特征在于，所述开启进水阀门和出水阀门，不断地向所述水冷铜坩埚及喷嘴中注入冷却水，并不断排出所述水冷铜坩埚及所述喷嘴中的水，具体包括，开启所述进水阀门和所述出水阀门，设置所述进水阀门流速大于所述出水阀门流速，使注入的冷却水充满所述水冷铜坩埚和所述喷嘴，最终达到注入冷却水和排出冷却水的动态平衡。
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