CN112899787B - 一种用于单晶/定向凝固中频感应加热保温炉装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于材料单晶/定向凝固生长的中频感应加热保温炉装置，包括碳纤维盖板、碳复合材料挡板、隔热保温材料、石墨套、缠绕在石墨套外围的感应圈，感应圈之间的屏蔽圈，绝缘胶木立柱及上/下区测温热电偶等部分组成。本发明主要解决了单晶/定向凝固过程中感应式加热保温炉分区独立调节，抗磁场干扰、高温度梯度等控制问题。能够与一套可智能调节分区输出的中频电源配合使用，对在单晶/定向凝固过程中的金属熔液实施温度控制，实现高温度梯度场，从而更好地生产制造单晶/定向零件产品。

Description

一种用于单晶/定向凝固中频感应加热保温炉装置
技术领域
本发明涉及材料凝固加工领域，具体为一种用于材料单晶/定向凝固生长的中频感应加热保温炉装置。
背景技术
单晶/定向凝固是使金属或合金由熔体中定向生长出单一晶体或多个同方向柱状晶体的工艺方法。单晶/定向凝固技术是航空发动机零件制备的一项关键技术，当前国际先进的高性能航空发动机，内部承受高温高压的工作及导向涡轮叶片都是单晶/定向凝固制造的。可以说单晶定向叶片的制造水平影响与决定着发动机的品质。
定向凝固技术是采用强制的一维散热法，使凝固过程沿温度梯度方向定向进行，获得定向凝固组织，定向凝固技术经历了发热铸型法（EP），功率降低法（PD），高速凝固法（HRS），和液态金属冷却（LMC）法等发展过程。目前单晶/定向凝固零件的制造主要采用快速凝固法（HRS）获得。
定向凝固技术的感应参数包括凝固过程中固液界面前沿液相的温度梯度GL和固、液界面向前推进速度R。GL/R值是控制单晶体生长界面稳定性的重要判据，定向凝固技术和装置在不断改进，其中关键技术之一就是致力于提高/固液界面前沿液相的温度梯度GL，以达到提高单晶零件产品质量与合格率的目的。
快速凝固法HRS的主要设备是单晶定向凝固炉，当合金锭浇铸到锭模室中保温炉内的热铸型中，铸型放置在水冷结晶器上，铸型以一定的速度抽拉出锭模加热室，该过程必须保证在固/液界面形成较高的温度梯度，这是单晶合金铸件结晶的关键。这时熔化后的金属溶液在铸型中逐渐失去热量开始凝固，其想要保持温度梯度，必须依靠铸型室中的保温炉对其进行热辐射，以维持完成单晶/定向凝固过程的温度梯度。保温炉中温度场整体过高容易对铸型造成损坏，合金元素烧损；整体温度过低又不能形成凝固过程所需的高梯度过热度，不利于组织的凝固成型。
保证高温度梯度的手段是将保温炉分为上下区，且下区温度略高于上区，这样的方案对固液界面前沿的温度梯度有非常好的效果。保温炉双区的加热元件可采用石墨或者感应的方法获得，绝大多数定向凝固装置保温炉一直是采用石墨加热体。采用石墨加热体的好处是控制技术简单，但是高纯石墨加热体有加热速度慢，温场热效应滞后，加工造价贵，使用寿命短，检修维保成本高等诸多弊端；采用感应加热速度快，热效率高，拆装检修维护方便，节约生产成本，但是感应加热由于两个温区的感应圈同轴放置，离得太近，上下区产生的感应磁场互相干扰，温度场控制问题始终难以解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于材料单晶/定向凝固生长的中频感应保温炉线圈，以解决上述背景技术中提出的单晶/定向凝固装置中高温度梯度场双区保温炉的中频感应加热问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于高温度梯度单晶/定向凝固生长的中频感应加热保温炉装置，包括碳纤维盖板、碳复合材料挡板、隔热保温材料、石墨套、缠绕设置在石墨套外围的感应圈，感应圈之间的屏蔽圈，绝缘胶木立柱及上下区测温热电偶等，石墨套分为上下区两部分，同轴放置，中间用碳复合材料挡板隔离，对应外围的感应圈也分为上区和下区两部分同轴放置，上下感应圈之间有一匝用水冷铜管制作的屏蔽圈，其作用为吸收隔离上下区的感应磁场，上下区感应圈高度和对应内部上下区石墨套高度一致，屏蔽圈位置对应碳复合材料挡板位置，与进行单晶/定向凝固过程的金属熔液界面高度一致。
优选地，上区感应圈和下区感应圈为从上到下独立设置于上下两组石墨套外，两组感应圈与石墨套同轴放置，这两组感应圈是工作圈，与对应的两组水冷铜电缆通过法兰口密封方式连接水电，感应圈在工作中与水电缆同时通冷却循环水和中频交流电，上区感应圈和下区感应圈层间设置不通电的铜圈作为屏蔽圈，去吸收和隔离上下区感应圈产生的干扰磁场，保证上下区独立工作。
优选地，在上下区工作圈内的石墨套接收到对应圈的感应磁力线后转换为短路涡流，根据焦耳定律
Figure 69111DEST_PATH_IMAGE001
转化为热能量辐射加热铸型内钢液，以保证保温炉内的定向凝固梯度温度场，用以制造单晶/定向合金材料产品。
优选地，感应圈是空心铜管制造，通中高频交流电及冷却水，在感应圈之间有一匝不通电仅通冷却水的屏蔽圈，也采用空心铜管制造，感应圈内石墨套将感应磁场转化为感生涡流，当感应圈的感应磁力线在上下区相互干扰时，多余的磁力线将大部分被屏蔽圈吸收消耗，达到隔离作用，使上下区能独立工作控制的目的。
优选地，感应圈和屏蔽圈均采用玻璃丝布带蘸绝缘漆包扎铜管，并在最外层整体刷环氧树脂用做绝缘处理。最外围的绝缘胶木立柱用螺钉螺母将感应圈和屏蔽圈同轴固定连接起来，使各线圈之间稳固连接并具有良好绝缘。
优选地，感应圈和可智能分配功率的中频感应电源相连，当钢液在铸型的凝固过程中，智能中频电源调节系统，通过分区的温度设定与热电偶温差反馈，以及对PID模型的参数计算控制信号，智能的对各组感应圈分配输出电能，实现分区温差梯度控制，良好地完成单晶/定向凝固过程。
该装置可根据石墨套的数量，分为两组或多组，并且能够与一套可智能调节分区输出的中频电源配合使用，通过感应加热保温炉的温度设定与反馈，智能调节优化功率分配，对在单晶/定向凝固过程中的金属熔液实施温度控制，实现高温度梯度场，从而更好地生产制造单晶/定向零件产品。本发明解决了单晶/定向凝固过程中感应式加热保温炉分区独立调节，抗磁场干扰、高温度梯度等控制问题。还具有加热速率快，热效率高，温度梯度大，结构简单可靠，维保检修成本低等诸多优点。
附图说明
图1为本发明一种用于单晶/定向凝固的中频感应加热保温炉装置结构示意图。
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。
请参阅图1，一种用于单晶/定向凝固中频感应加热保温炉装置，包括1石墨套、2隔热保温材料、3上区感应圈、4上区感应圈水电进口、5上区测温热电偶、6屏蔽圈、7屏蔽圈进水口、8下区感应圈水电进口、9下区测温热电偶、10下区感应圈、11下区感应圈水电出口、12水冷环、13水冷结晶器、14铸型、15屏蔽圈出水口、16上区感应圈水电出口、17碳复合材料挡板、18上下区凝固界面、19绝缘胶木立柱和20碳纤维盖板。
石墨套1分为上下区两部分，同轴放置，中间用碳复合材料挡板17隔离，对应外围的感应圈也分为上区和下区两部分同轴放置，上下感应圈之间有一匝用水冷铜管制作的屏蔽圈6，作用为吸收隔离上下区的感应磁场，上下区感应圈高度和对应内部上下区石墨套高度一致，屏蔽圈6位置对应碳纤维挡板位置，与进行单晶/定向凝固过程的金属熔液界面高度一致。
上区感应圈3和下区感应圈10为从上到下独立设置在上下两组石墨套1外，两组感应圈与石墨套同轴放置，这两组感应圈是工作圈，与对应的两组水冷铜电缆通过法兰口密封方式连接水电，感应圈在工作中与水冷铜电缆同时通冷却循环水和中频交流电，上区感应圈3和下区感应圈10层间设置不通电的铜圈作为屏蔽圈6，去吸收和隔离上下区感应圈产生的干扰磁场，保证上下区独立工作。
在上下区工作圈内的石墨套接收到对应圈的感应磁力线后转换为短路涡流，根据焦耳定律
Figure 871369DEST_PATH_IMAGE001
转化为热能量辐射加热铸型内钢液，以保证保温炉内的定向凝固梯度温度场，用以制造单晶/定向合金材料产品。
感应圈是空心铜管制造，通中高频交流电及冷却水，在感应圈之间有一匝不通电仅通冷却水的屏蔽圈，也采用空心铜管制造，感应圈接收中高频交流电产生感应磁力线加热内部的导磁导电材料发热，当感应圈的感应磁力线在上下区相互干扰时，多余的磁力线将大部分被屏蔽圈吸收消耗，达到隔离作用，使上下区能独立工作控制的目的。
感应圈和屏蔽圈均采用玻璃丝布带蘸绝缘漆包扎铜管，并在最外层整体刷环氧树脂用做绝缘处理。最外围的绝缘胶木立柱用螺钉螺母将感应圈和屏蔽圈同轴固定连接起来，使各线圈之间稳固连接并具有良好绝缘。
感应圈和可智能分配功率的中频感应电源相连，当钢液在铸型的凝固过程中，智能中频电源调节系统，通过分区的温度设定与上下区测温热电偶温差反馈，以及对PID模型的参数计算控制信号，智能的对各组感应圈分配输出电能，实现分区温差梯度控制，良好地完成单晶/定向凝固过程。
综上，本发明所述一种用于单晶/定向凝固中频感应加热保温炉装置，解决了单晶/定向凝固过程中感应式加热保温炉分区独立调节，抗磁场干扰、高温度梯度等控制问题。还具有加热速率快，热效率高，温度梯度大，结构简单可靠，维保检修成本低等诸多优点。能够与一套可智能调节分区输出的中频电源配合使用，根据所需工艺的温度智能调节，分配功率输出，保证单晶/定向凝固过程中所需要的高温度梯度场。从而更好地生产制造单晶/定向零件产品。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种用于材料单晶/定向凝固生长的中频感应加热保温炉装置，包括碳纤维盖板、碳复合材料挡板、隔热保温材料、石墨套、缠绕设置在石墨套外围的感应圈，感应圈之间的屏蔽圈，绝缘胶木立柱及上下区测温热电偶；其特征在于，石墨套分为上下两部分，同轴放置，中间用碳复合材料挡板隔离，对应的外围感应圈也分为上区感应圈和下区感应圈两部分同轴放置，同轴放置的感应圈与石墨套将保温炉装置分隔成上下两个加热区；上下感应圈之间有一匝用水冷铜管制作的屏蔽圈，屏蔽圈不通电仅通水，其作用为吸收上下隔离区的感应磁场，上下区感应圈高度和对应内部上下区石墨套高度一致，屏蔽圈位置对应碳复合材料挡板位置，与进行单晶/定向凝固过程的金属熔液界面高度一致。
2.根据权利要求1所述的中频感应加热保温炉装置，其特征在于，上区感应圈和下区感应圈对应从上到下独立放置，两层石墨套与感应圈同轴多层放置，这两组感应圈是工作圈，感应圈由空心铜管绕制而成，通过法兰连接密封方式与对应的两组水冷铜电缆连接，感应圈在工作中与水冷铜电缆同时通冷却循环水和中频交流电，感应圈通中频交流电产生感应磁场，在石墨套中产生涡流向保温炉中辐射热量；
上区感应圈和下区感应圈层间设置不通电的水冷铜管作为屏蔽圈，吸收和隔离上下区感应圈产生的干扰磁场，保证上下区独立工作。
3.根据权利要求1所述的保温炉装置，其特征在于，感应圈内用石墨套接收到对应感应圈产生的感应磁力后转换为短路涡流，根据焦耳定律
Figure 905957DEST_PATH_IMAGE001
转化为热能量辐射加热铸型内钢液，以保证保温炉内的定向凝固梯度温度场，用以制造单晶/定向合金材料产品。
4.根据权利要求1所述的保温炉装置，其特征在于，所述感应圈是采用空心铜管制造，通电及冷却水；屏蔽圈不通电仅通水，感应圈接收中频交流电产生感应磁力线，磁力线在石墨套中产生涡流使材料发热，所述感应圈和屏蔽圈均采用玻璃丝布带蘸绝缘漆包扎铜管，并在最外层整体刷环氧树脂；
最外围有四到六根绝缘胶木立柱用螺钉螺母将感应圈和屏蔽圈同轴固定连接起来，使各线圈之间稳固连接并具有良好绝缘。
5.根据权利要求1所述的保温炉装置，其特征在于，所述装置与可分配功率的智能中频感应电源相连，智能中频感应电源智能调节系统能够根据分区测温热电偶的反馈温度对比目标设定温度计算温度差值，并根据PID模型调节控制信号输送分配中频电能给分区感应圈，感应圈内石墨套将感应磁场转化为感生涡流，再根据焦耳定律产生热量辐射给石墨套保温加热，实现分区温差梯度控制，完成金属熔液的单晶/定向凝固过程。
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