CN112097517A - 一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置及悬浮熔炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬浮熔炼装置及悬浮熔炼方法，为解决真空电磁悬浮熔炼技术中，金属或相应合金被熔化后，继续提高加热功率不能使熔池温度大幅度提高，导致向熔池添加合金料困难，以及铸造材料质量难以达到要求的技术问题，提供一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置及悬浮熔炼方法，其中悬浮熔炼装置包括真空炉、设置在真空炉内的坩埚本体，以及设置在坩埚本体上方的热反射盖；坩埚本体与热反射盖间设置有间隙，热反射盖上连接有驱动杆，所述驱动杆延伸至真空炉外部，且与真空炉可拆卸密封连接。悬浮熔炼方法是在开始熔炼或金属熔化后，将热反射盖置于坩埚本体上，再完成熔炼。

Description

一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置及悬浮熔炼方法

技术领域

本发明涉及一种悬浮熔炼装置及悬浮熔炼方法，具体涉及一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置及悬浮熔炼方法。

背景技术

真空电磁悬浮熔炼技术是当下最先进的熔炼技术之一，利用真空中频感应熔炼排除空气对材料的污染，再利用电磁场使被熔炼材料在坩埚中呈悬浮状态，进一步消除了坩埚材料对被熔炼材料的污染。因此，真空电磁悬浮熔炼技术是目前最纯净的熔炼技术。

真空电磁悬浮熔炼技术最突出的优点之一是它能够达到较高的温度，最高熔炼温度能达到3600℃左右，因此，利用该技术能熔炼元素周期表中的所有金属元素和相应的合金，包括金属钨、铼、钼、铌等。

但是，真空电磁悬浮熔炼技术也有一个重要的缺点，金属或相应合金被熔化后，继续提高加热功率不能使熔池温度大幅度提高，实验证明，温度在高于熔点100～150℃之后就几乎不再升高。例如，在同一台设备里，用60kW能熔化金属铝，增加功率后，温度升到约800℃就不再提高了；用100kW能熔化金属镍，增加功率之后，温度最高只能达到1550℃左右；用200kW能熔化金属铌，增加功率只能使温度升高到约2600℃。如图1，产生这种情况的原因与坩埚02中熔池01呈驼峰状有关，加热功率越大，驼峰越细高，表面积越大，散热越严重。在高温下，辐射散热是一个重要的散热途径，由于坩埚02的上方是敞开设置的，所以向上辐射是一个重要的散热方向。

材料熔化后不能继续大幅度升温，对悬浮熔炼的效果有重要影响：

其一，对向熔池添加合金料造成了困难，只有延长熔炼时间才能使合金完全熔化和均匀化，特别是添加的合金料熔点高于熔池的温度时，很难使合金料完全熔入熔池；

其二，熔池的过热度不足，导致铸造材料的质量难以达到要求。

发明内容

本发明为解决现有真空电磁悬浮熔炼技术中，金属或相应合金被熔化后，继续提高加热功率不能使熔池温度大幅度提高，导致向熔池添加合金料困难，以及铸造材料质量难以达到要求的技术问题，提供一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置及悬浮熔炼方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置，其特殊之处在于，包括真空炉、设置在真空炉内的坩埚本体，

设置在坩埚本体上方的热反射盖；

所述坩埚本体与热反射盖间设置有间隙；

所述热反射盖上连接有驱动杆，所述驱动杆延伸至真空炉外部，且与真空炉可拆卸密封连接。

进一步地，所述热反射盖的材质可以是熔点高于熔池温度的非金属材料。或者，所述热反射盖由多个金属区和多个耐热绝缘区交替布置；所述金属区为熔点高于熔池温度的金属材料；所述耐热绝缘区为熔点高于熔池温度的耐热绝缘材料。

若热反射盖金属区的材质为紫铜，各金属区分别设置有冷却管，所述驱动杆内设置有与真空炉外部冷却源连通的冷却导管，所述冷却管分别与冷却导管连通。冷却管的设置形式还可以是，热反射盖外侧盘绕有冷却管，所述驱动杆内设置有与真空炉外部冷却源连通的冷却导管，所述冷却管与冷却导管连通。

进一步地，热反射盖内表面可呈抛物面状，且抛物面的焦点位于坩埚本体内。

进一步地，所述驱动杆沿坩埚本体轴向设置；或者，驱动杆与坩埚本体轴向垂直设置。

进一步地，所述驱动杆与坩埚本体轴向为偏心设置。

进一步地，所述热反射盖朝向坩埚本体的表面为光滑表面，具体可采用抛光的方式使其形成光滑表面。

进一步地，所述冷却导管与真空炉的冷却源连通。

另外，本发明还提供了一种悬浮熔炼方法，其特殊之处在于，使用上述带有热反射盖的悬浮熔炼装置，其具体步骤为：

S1，在坩埚本体中加入待熔炼金属，真空炉内抽真空并充入保护气体；

S2，启动坩埚本体的感应电源，在熔炼前或者熔炼至金属熔化后，通过驱动杆将热反射盖放置在坩埚本体上方，并保持一定的间隙，要求热反射盖能将坩埚本体散发的热量反射回坩埚本体；

S3，直至感应电源达到预设功率，且达到预设熔炼时间，通过驱动杆将热反射盖由坩埚本体上移开，完成熔炼，待熔炼金属形成的液流经泄流孔流出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置，在坩埚本体上方设置了热反射盖，减少了悬浮熔炼设备中熔池向坩埚本体上方因辐射造成的热损失，提高了被熔炼材料在形成熔池之后的过热度；热反射盖上连接的驱动杆，便于在需要加料、观察和铸造时敞开坩埚本体的口部，另外，驱动杆设置在平行于坩埚本体轴向时，还兼具有上下移动热反射盖的功能；同时，热反射盖还能够阻挡真空炉内的灰尘落入坩埚本体内，有利于保证被熔炼材料的纯度；另外，热反射盖还有防止被熔炼材料向坩埚本体外部喷溅，损坏坩埚本体内其他部件的作用；坩埚本体与热反射盖间设置的间隙，便于躲开熔池的驼峰，使热反射盖既能够减少坩埚本体上方因辐射造成的热损失，又能够避开熔池驼峰，避免对坩埚本体内的熔炼带来其他不良影响，还能够在熔炼时，使坩埚本体感应电源的磁场顺利进入坩埚本体内。

2.本发明中热反射盖朝向坩埚本体内部的表面为抛物面，且抛物面的焦点位于坩埚本体内，能够使反射的辐射热聚焦在熔池表面。

3.本发明为热反射盖提供了多种可选材质和结构形式，若材质为金属或直接采用紫铜，为保证悬浮熔炼设备中为坩埚本体供能的磁力线能够穿透热反射盖进入坩埚本体内部，将热反射盖设计为金属区和耐热绝缘区交替布置的形式，尤其是采用紫铜材质时，热反射盖上还设置有冷却管，用于及时疏散热量。

4.本发明中若热反射盖相应配置有冷却管，冷却管进水可以单独设置，也可以直接与真空炉外部冷却源对应的水接口连通，同样提供了多种设置方式，可根据现场情况进行合理化选择。

5.本发明中热反射盖位于坩埚本体内的表面光滑设置，以便将熔池的辐射热反射回坩埚本体的内部。

6.本发明还提供了一种悬浮熔炼方法，在开始进行悬浮熔炼时，在坩埚本体上方设置热反射盖，能够阻挡熔池向坩埚本体上方的热辐射损失，降低了熔炼过程中的热损失，提高了熔池的过热度。

附图说明

图1为背景技术中坩埚内熔池的形状示意图。

图1中，01-熔池、02-坩埚。

图2为本发明实施例一安装在真空炉中的结构示意图；

图3为本发明实施例一中长方体状热反射盖的结构示意图；

图4为本发明实施例一中圆柱状热反射盖的形状示意图；

图5为本发明实施例二中热反射盖的形状示意图；

图6为本发明实施例三中热反射盖的结构示意图；

图7为本发明图6的俯视图；

图8为本发明实施例四安装在真空炉中的结构示意图。

在图2至图8中，1-坩埚本体、2-热反射盖、3-耐热绝缘区、4-冷却管、5-驱动杆、6-真空炉、7-冷却导管、8-感应电源、9-泄流孔、10-密封件、11-熔池。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

实施例一

如图2，一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置，包括真空炉6、坩埚本体1，以及设置在坩埚本体1上方的热反射盖2，坩埚本体1设置于真空炉6内，热反射盖2朝向坩埚本体1的表面光滑设置，可以做抛光处理，以便将熔池11的辐射热反射回坩埚本体1的内部。热反射盖2朝向坩埚本体1内部的表面为平面，热反射盖2的具体形状可以是图3所示的长方体状，也可以是图4所示的圆柱状，热反射盖2的材质为紫铜，热反射盖2由多个金属区和多个耐热绝缘区3交替布置，耐热绝缘区3的作用在于将构成热反射盖2的紫铜材料分割成了多个相互独立的金属区，为电磁场提供从坩埚本体1上方进入坩埚本体1的通道，防止在热反射盖2中形成涡流造成能量损耗，但耐热绝缘区3又必须同时将被分隔开的各个独立部分连接在一起，在外部结构上保持热反射盖2的完整性、密封性，耐热绝缘区3的材料可以采用云母、氧化铝、氧化锆、氧化镁以及其它稀土氧化物等材料；耐热绝缘区3的设置形式不限，可以通过耐热绝缘区3使各金属区形成各种形状，只要各金属区不形成连续的回路即可，在各金属区内设置有冷却管4，冷却管4为贯穿热反射盖2各相互独立部分的连续管路，向冷却管4内通入冷却介质，进行冷却。

热反射盖2的侧面固定连接有驱动杆5，驱动杆5沿平行于坩埚本体1轴向的方向延伸，一直延伸至真空炉6的外部，驱动杆5和真空炉6之间通过密封件10进行密封，密封件10可以采用密封圈，避免由于驱动杆5的设置造成真空炉6泄露，需要移动驱动杆5时，可将密封件10卸下，移动完成后进行固定时，可再将密封件10安装上，兼顾固定与密封的作用。密封件10也可以直接采用现有的动密封件，既能够实现密封，又便于移动驱动杆5，不需要再进行拆装。冷却管4的进口端连接有冷却导管7，冷却导管7套设安装于驱动杆5内，驱动杆5对冷却导管7具有导向作用，冷却导管7延伸至真空炉6外部，与真空炉6外部冷却源对应的水接口相连。

采用实施例一带有热反射盖的悬浮熔炼装置，对应的悬浮熔炼方法为：

（1）通过驱动杆5将热反射盖2升起，在坩埚本体1中加入待熔炼金属，根据待熔炼金属的熔炼要求，真空炉6内抽真空并充入保护气体；

（2）启动坩埚本体1的感应电源8，再通过驱动杆5将热反射盖2扣合于坩埚本体1上，向冷却管4内通入冷却介质，开始熔炼；

（3）按照待熔炼金属对应的预设工艺，直至感应电源8达到预设功率，且达到预设熔炼时间，通过驱动杆5将热反射盖2由坩埚本体1上移开，完成熔炼，待熔炼金属形成的液流经泄流孔9流出。

实例二

如图5所示，实施例二与实施例一的区别在于，热反射盖2与坩埚本体1内部相对设置的表面呈抛物面状，且抛物面的顶点远离坩埚本体1设置，外形呈向上凸起状，该抛物面的焦点位于坩埚本体1内，能够使被热反射盖2反射的辐射热聚焦在熔池表面，另外，也能够更好的避开熔池11的驼峰，避免造成干扰。

实施例三

如图6和图7所示，实施例三与实施例二的区别在于，冷却管4盘绕设置在热反射盖2的外表面。

实施例四

如图8，实施例四与实施例一的区别在于，驱动杆5安装在热反射盖2的侧面，沿垂直于坩埚本体1轴向的方向设置，需要移动热反射盖2时，将密封件10拆下，通过驱动杆5水平移动热反射盖2即可，移动完成后，再通过密封件10使驱动杆5和真空炉6之间保持密封；热反射盖2的材质为熔点高于熔池温度的非金属材料。

本发明实施例二至实施例四采用的悬浮熔炼方法与实施例一中提供的方法相同。

另外，在本发明的其他实施例中，悬浮熔炼方法还可以是，真空炉6内抽真空并充入保护气体后，启动坩埚本体1的感应电源8，开始熔炼，直至待熔炼金属熔化后，通过驱动杆5将热反射盖2放置在坩埚本体1上方，并保持一定间隙，继续熔炼直至感应电源8达到预设功率，且达到预设熔炼时间。使坩埚本体1内能够达到更高的熔炼温度。

在本发明的其他实施例中，还可为冷却管4单独设置冷却介质来源，另外，冷却管4也可以是不连续设置的。对于形状不规则或复杂的热反射盖2，可以采用3D打印技术制作。

如下是本发明的一个应用实例：在一台350kW的悬浮熔炼设备中对金属铌进行熔炼。该设备采用内径为120mm的水冷铜坩埚。热反射盖2用3D打印技术制作，具体为凸头向上，朝向坩埚本体1的表面为抛物面的紫铜板，抛物面焦点在坩埚本体1内部约1/2的高度处。热反射盖2沿周边向中心设置耐热绝缘区3，耐热绝缘区3共20条均布于热反射盖2上，使热反射盖2形成21片辐射状的瓣片。耐热绝缘区3的宽度为2mm。在每一片瓣片中都设有冷却管4，冷却介质为水，从热反射盖2的中心进入瓣片，再从热反射盖2边缘引出，引到真空炉6的外面。在热反射盖2上偏离热反射盖2的中心装有驱动杆5，它通过密封件10插入真空炉6内。驱动杆5由两层不锈钢管组成，坩埚本体1的进水管和回水管分别接到驱动杆5的内管和外管中，在热反射盖2的上面，驱动杆5的水路接到真空炉6的冷却水系统中。在坩埚本体1中加入1kg金属铌，对真空炉6抽真空和充氩之后，启动感应电源8加热金属铌，直至金属铌熔化，把热反射盖2置于坩埚本体1的上方，继续加大电源功率，当功率达到预设功率时保持1分钟，移开热反射盖2，测量温度达到了预设温度，完成熔炼。也可以在启动感应电源8加热金属铌时，就将热反射盖2置于坩埚本体1的上方。

经验证，与相同熔炼方法下，不加设热反射盖2时相比，最终得到的粉体质量更优。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置，其特征在于：包括真空炉（6）、设置在真空炉（6）内的坩埚本体（1），以及设置在坩埚本体（1）上方的热反射盖（2）；

所述坩埚本体（1）与热反射盖（2）间设置有间隙；

所述热反射盖（2）上连接有驱动杆（5），所述驱动杆（5）延伸至真空炉（6）外部，且与真空炉（6）可拆卸密封连接。

2.如权利要求1所述一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置，其特征在于：

所述热反射盖（2）的材质为熔点高于熔池温度的非金属材料。

3.如权利要求1所述一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置，其特征在于：

所述热反射盖（2）由多个金属区和多个耐热绝缘区（3）交替布置；

所述金属区为熔点高于熔池温度的金属材料；

所述耐热绝缘区（3）为熔点高于熔池温度的耐热绝缘材料。

4.如权利要求3所述一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置，其特征在于：

所述金属区的材质为紫铜；

各金属区分别设置有冷却管（4）；

所述驱动杆（5）内设置有与真空炉（6）外部冷却源连通的冷却导管（7）；

所述冷却管（4）分别与冷却导管（7）连通。

5.如权利要求3所述一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置，其特征在于：

所述金属区的材质为紫铜；

所述热反射盖（2）外侧盘绕有冷却管（4）；

所述驱动杆（5）内设置有与真空炉（6）外部冷却源连通的冷却导管（7）；

所述冷却管（4）与冷却导管（7）连通。

6.如权利要求1至5任一所述一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置，其特征在于：所述热反射盖（2）内表面呈抛物面状，且抛物面的焦点位于坩埚本体（1）内。

7.如权利要求6所述一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置，其特征在于：

所述驱动杆（5）沿坩埚本体（1）轴向设置；或者，驱动杆（5）与坩埚本体（1）轴向垂直设置。

8.如权利要求7所述一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置，其特征在于：

所述驱动杆（5）与坩埚本体（1）轴向为偏心设置。

9.如权利要求6所述一种带有热反射盖的悬浮熔炼装置，其特征在于：

所述热反射盖（2）朝向坩埚本体（1）的表面为光滑表面；

所述冷却导管（7）与真空炉（6）的冷却源连通。

10.一种悬浮熔炼方法，其特征在于，使用权利要求1至9任一所述带有热反射盖的悬浮熔炼装置，其具体步骤为：

S1，在坩埚本体（1）中加入待熔炼金属，真空炉（6）内抽真空并充入保护气体；

S2，启动坩埚本体（1）的感应电源（8），在熔炼前或者熔炼至待熔炼金属熔化后，通过驱动杆（5）将热反射盖（2）放置在坩埚本体（1）上方，并保持一定的间隙，要求热反射盖能将坩埚本体散发的热量反射回坩埚本体；

S3，直至感应电源（8）达到预设功率，且达到预设熔炼时间，通过驱动杆（5）将热反射盖（2）由坩埚本体（1）上移开，完成熔炼，待熔炼金属形成的液流经泄流孔（9）流出。

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