CN112964059B - 一种液态金属控温真空感应熔炼装置及控温方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液态金属控温真空感应熔炼装置及控温方法，属于熔炼技术领域。本装置包括熔炼箱体和熔炼容器，熔炼容器设置在熔炼箱体的保温腔体中心，熔炼箱体的内侧壁设置有液态金属腔，液态金属腔内填充有液态金属，熔炼箱体的外侧壁包覆设置有感应线圈，熔炼箱体的底端设置有温度传感器，温度传感器的探头与液态金属腔内的液态金属接触，温度传感器外接温度控制器，温度控制器与感应线圈连接。本发明将液态金属作为控温元件，感应线圈产生电流使液态金属腔中的液态金属加热，液态金属产生涡流处于循环流动状态，热量通过热对流的形式迅速的使整个液态金属腔的温度均匀稳定，通过温度传感器准确控制温度，提高金属熔炼过程的均匀性；液态金属作为保温腔体的热源，通过热辐射形式使保温腔体温度达到液态金属的温度。

Description

一种液态金属控温真空感应熔炼装置及控温方法
技术领域
本发明涉及一种液态金属控温真空感应熔炼装置及控温方法，属于熔炼制备技术领域。
背景技术
感应熔炼技术是目前冶金领域中金应用最广的金属熔炼技术之一。其原理是将金属材料放入坩埚中，感应线圈环绕坩埚。当电流流经感应线圈时，产生的感应电流并使坩埚中金属炉料内部产生涡流，金属具有电阻产生焦耳热，热量增越加到一定程度时，金属由固态熔化为液态，达到冶炼的目的。此外，坩埚中液态的金属受到电磁力的相互作用，可以自动实现搅拌，使成分更加均匀。
但是由于感应加热时，测温技术相对局限，通常采用非接触红外测温方式，温度控制不精确，导致感应熔炼工艺的可控性较差，且目前感应熔炼的方法仅限于金属熔炼，而对高温烧结一些不导电的原料(如陶瓷材料等)时，不能采用此方法。
发明内容
本发明针对感应熔炼中存在的温控不精确问题，提出一种液态金属控温真空感应熔炼装置，本发明将液态金属封装在液态金属腔内，液态金属作为控温元件，感应线圈产生电流使液态金属腔中的液态金属加热，液态金属产生涡流处于循环流动状态，且液态金属在10-2200℃下保持液态，热量通过热对流的形式迅速的使整个液态金属腔处于均匀稳定的温度，并通过温度传感器准确控制感应加热温度，提高金属熔炼过程的均匀性。液态金属作为热源，液态金属腔包裹保温腔体，热量通过热辐射的形式使保温箱体达到液态金属腔温度，当熔炼原料为高温陶瓷料时，也可以满足其熔炼温度要求。
本发明利用液态金属在感应线圈中加热，并在感应线圈的涡流效应下流动传热，达到整个液态金属腔以及熔炼容器均温的效果，熔炼容器内部所熔炼的物料所产生的热源通过热辐射形式与液态金属形成稳定的热平衡，获得较大的均温区域，通过温度传感器准确控制感应加热温度，提高金属熔炼过程的均匀性；能实现感应加热的精确温度控制，可实现金属材料熔炼和高温陶瓷材料的烧结和熔融。
本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：
一种液态金属控温真空感应熔炼装置，包括熔炼箱体2和熔炼容器16，熔炼容器16设置在熔炼箱体2的保温腔体4中心，熔炼箱体2的内侧壁设置有液态金属腔6，液态金属腔6内填充有液态金属13，熔炼箱体2的外侧壁包覆设置有感应线圈3，熔炼箱体2的底端设置有温度传感器15，温度传感器15的探头与液态金属腔6内的液态金属13接触，温度传感器15外接温度控制器，温度控制器与感应线圈3连接；
所述保温腔体4的内壁设置有与液态金属腔6贴合的保温层5；
所述熔炼箱体2的顶部设置有法兰盘7，法兰盘7的顶端固定设置有盖板9；
进一步的，所述盖板9中心设置有气体管路11，气体管路11与熔炼箱体2的保温腔体4连通，气体管路11外接真空泵12；气体管路11可实现真空熔炼或惰性气氛保护熔炼；
更进一步的，所述法兰盘7与盖板9的连接处设置有密封垫片8；
优选的，密封垫片8为陶瓷密封垫片；陶瓷密封垫片为氮化硅密封垫片或硼化锆密封垫片；
所述液态金属13为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟新锡铋合金、镓铋合金中的一种或多种；
金属镓及其合金的液态金属在室温下以液态形式存在，具有良好的导电导热性能，其在沸点状态下(1983℃)具有非常低的饱和蒸汽压；
所述熔炼箱体2、盖板9和熔炼容器16均可采用石英、氧化铝、氧化锆或硼化锆进行制备；
熔炼箱体2、盖板9和熔炼容器16为石英时，液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟新锡铋合金、镓铋合金中的一种或多种，熔炼温度最高为1500℃；
熔炼箱体2、盖板9和熔炼容器16为氧化铝时，液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟新锡铋合金、镓铋合金中的一种或多种，熔炼温度最高为1800℃；
熔炼箱体2、盖板9和熔炼容器16为氧化锆时，液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟新锡铋合金、镓铋合金中的一种或多种，熔炼温度最高为2200℃；
熔炼箱体2、盖板9和熔炼容器16为硼化锆时，液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟新锡铋合金、镓铋合金中的一种或多种，熔炼温度最高为2200℃；
所述液态金属13的填充度为液态金属腔6体积的90％-94％，液态金属腔6的未填充区域为真空区14；真空区14可防止液态金属热胀冷缩导致的液态金属腔体壁断裂，也可避免液态金属13被氧化；
所述液态金属控温真空感应熔炼装置还包括底座1，熔炼箱体2设置在底座1上。
基于液态金属控温真空感应熔炼装置的控温方法，具体步骤如下：
(1)温度控制器控制感应线圈对熔炼箱体的外壁加热，熔炼箱体的外壁将热量传导给液态金属腔内的液态金属，液态金属受热产生涡流进行循环流动，热量在液态金属的流动中迅速形成热对流使液态金属腔迅速达到均匀稳定的温度；
(2)液态金属作为保温腔体的热源，通过热辐射形式使保温腔体温度达到液态金属的温度；
(3)温度传感器的探头与液态金属接触，监测液态金属的温度，若温度传感器的检测温度超过预设温度，温度控制器控制感应线圈停止加热或降低加热功率；若温度传感器的检测温度低于预设温度，温度控制器控制感应线圈启动加热或提高加热功率，实现熔炼温度的精确控制。
本发明的有益效果：
(1)本发明液态金属腔体封装液态金属填充物，通过感应加热的方式使液态金属腔体达到熔炼温度，液态金属作为控温元件在涡流作用下循环流动使温度保持恒定，通过温度传感器精确控制感应熔炼温度，使用起来更加高效、稳定；
(2)本发明液态金属填充物作为热源通过热辐射的方式向保温腔体内部释放热量，特别是在熔炼陶瓷等不导电原料时，使保温腔体有效的达到稳定的熔炼温度；由于热胀冷缩的效应，液态金属腔体中的真空区域可以有效防止热胀冷缩导致的液态金属腔体壁断裂，更换维护成本更低；
(3)本发明液态金属控温真空感应熔炼装置，结构设计合理，可广泛应用于金属与陶瓷的高温熔炼。
附图说明
图1为液态金属控温真空感应熔炼装置结构示意图；
图中：1-底座、2-熔炼箱体、3-感应线圈、4-保温腔体、5-保温层、6-液态金属腔、7-法兰盘、8-密封垫片、9-盖板、10-螺栓、11-气体管路、12-真空泵、13-液态金属、14-真空区、15-温度传感器、16-熔炼容器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，一种液态金属控温真空感应熔炼装置，包括熔炼箱体2和熔炼容器16，熔炼容器16设置在熔炼箱体2的保温腔体4中心，熔炼箱体2的内侧壁设置有液态金属腔6，液态金属腔6内填充有液态金属13，熔炼箱体2的外侧壁包覆设置有感应线圈3，熔炼箱体2的底端设置有温度传感器15，温度传感器15的探头与液态金属腔6内的液态金属13接触，温度传感器15外接温度控制器，温度控制器与感应线圈3连接；
保温腔体4的内壁设置有与液态金属腔6贴合的保温层5；
熔炼箱体2的顶部设置有法兰盘7，法兰盘7的顶端固定设置有盖板9；
盖板9中心设置有气体管路11，气体管路11与熔炼箱体2的保温腔体4连通，气体管路11外接真空泵12；气体管路11可实现真空熔炼或惰性气氛保护熔炼；
法兰盘7与盖板9的连接处设置有密封垫片8；
密封垫片8为陶瓷密封垫片；
液态金属13为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟新锡铋合金、镓铋合金中的一种或多种；
金属镓及其合金的液态金属在室温下以液态形式存在，具有良好的导电导热性能，其在沸点状态下(1983℃)具有非常低的饱和蒸汽压；
熔炼箱体2、盖板9和熔炼容器16均可采用石英、氧化铝、氧化锆或硼化锆进行制备；
熔炼箱体2、盖板9和熔炼容器16为石英时，液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟新锡铋合金、镓铋合金中的一种或多种，熔炼温度最高为1500℃；
熔炼箱体2、盖板9和熔炼容器16为氧化铝时，液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟新锡铋合金、镓铋合金中的一种或多种，熔炼温度最高为1800℃；
熔炼箱体2、盖板9和熔炼容器16为氧化锆时，液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟新锡铋合金、镓铋合金中的一种或多种，熔炼温度最高为2200℃；
熔炼箱体2、盖板9和熔炼容器16为硼化锆时，液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟新锡铋合金、镓铋合金中的一种或多种，熔炼温度最高为2200℃；
液态金属13的填充度为液态金属腔6体积的90％-94％，液态金属腔6的未填充区域为真空区14；真空区14可防止液态金属热胀冷缩导致的液态金属腔体壁断裂，也可避免液态金属13被氧化；
液态金属控温真空感应熔炼装置还包括底座1，熔炼箱体2设置在底座1上。
基于液态金属控温真空感应熔炼装置的控温方法，具体步骤如下：
(1)温度控制器控制感应线圈对熔炼箱体的外壁加热，熔炼箱体的外壁将热量传导给液态金属腔内的液态金属，液态金属受热产生涡流进行循环流动，热量在液态金属的流动中迅速形成热对流使液态金属腔瞬时达到均匀稳定的温度；
(2)液态金属作为保温腔体的热源，通过热辐射形式使保温腔体温度达到液态金属的温度；
(3)温度传感器的探头与液态金属接触，监测液态金属的温度，若温度传感器的检测温度超过预设温度，温度控制器控制感应线圈停止加热或降低加热功率；若温度传感器的检测温度低于预设温度，温度控制器控制感应线圈启动加热或提高加热功率，实现熔炼温度的精确控制。
实施例2：本实施例液态金属控温真空感应熔炼装置与实施例1的液态金属控温真空感应熔炼装置基本相同，不同之处在于：陶瓷密封垫片为氮化硅密封垫片或硼化锆密封垫片，保温层为石棉网，法兰盘通过螺栓14与盖板固定连接。
实施例3：本实施例采用实施例2液态金属控温真空感应熔炼装置进行镁铝合金熔炼，具体步骤如下：
(1)将原料Mg、Al、Zn和Mn按照质量百分比含量分别为Mg 88％、Al 10％、Zn 1.5％和Mn 0.5％称量，然后置于熔炼容器(石英坩埚)中，将熔炼容器(石英坩埚)置于保温腔体的中心，通过法兰盘连接将石英盖板和石英熔炼箱体连接，氮化硅密封垫片对装置进行密封；通过真空泵抽取保温腔体内部的空气，使保温腔体达到真空状态；
温度控制器控制感应线圈对熔炼箱体的外壁加热，熔炼箱体的外壁将热量传导给液态金属腔内的液态金属Ga75In25合金，液态金属Ga75In25合金受热产生涡流进行循环流动，热量在液态金属Ga75In25合金的流动中迅速形成热对流使液态金属腔瞬时达到均匀稳定的温度；
(2)液态金属Ga75In25合金作为保温腔体的热源，通过热辐射形式使保温腔体温度达到液态金属Ga75In25合金的温度；
(3)温度传感器的探头与液态金属Ga75In25合金接触，监测液态金属Ga75In25合金的温度，通过温度传感器对温度实时监控，控制液态金属Ga75In25合金的升温速率为10℃/min，升温至750℃，保温0.5h，并利用感应线圈对熔炼容器(石英坩埚)内的合金物料产生涡流，实现物料的搅拌混合；若温度传感器的检测温度超过预设温度，温度控制器控制感应线圈停止加热或降低加热功率；若温度传感器的检测温度低于预设温度，温度控制器控制感应线圈启动加热或提高加热功率，实现熔炼温度的精确控制；
(4)熔炼结束，温度控制器控制感应线圈停止加热或降低加热功率以控制液态金属Ga75In25合金以10℃/min的速度降温至室温，待熔炼容器(石英坩埚)内的合金物料降至室温即得组织均匀的镁铝合金。
实施例4：本实施例采用实施例2液态金属控温真空感应熔炼装置进行高温钛合金熔炼，具体步骤如下：
(1)将原料Ti、Al和V按照质量百分比含量分别为Ti 90％、Al 6％和V 4％称量，然后置于熔炼容器(氧化锆坩埚)中，将熔炼容器(氧化锆坩埚)置于保温腔体的中心，通过法兰盘连接将石英盖板和石英熔炼箱体连接，硼化锆密封垫片对装置进行密封；通过真空泵抽取保温腔体内部的空气，使保温腔体达到真空状态；
温度控制器控制感应线圈对熔炼箱体的外壁加热，熔炼箱体的外壁将热量传导给液态金属腔内的液态金属Ga50In20Sn15Zn5合金，液态金属Ga50In20Sn15Zn5合金受热产生涡流进行循环流动，热量在液态金属Ga50In20Sn15Zn5合金的流动中迅速形成热对流使液态金属腔瞬时达到均匀稳定的温度；
(2)液态金属Ga50In20Sn15Zn5合金作为保温腔体的热源，通过热辐射形式使保温腔体温度达到液态金属Ga50In20Sn15Zn5合金的温度；
(3)温度传感器的探头与液态金属Ga50In20Sn15Zn5合金接触，监测液态金属Ga50In20Sn15Zn5合金的温度，通过温度传感器对温度实时监控，控制液态金属Ga50In20Sn15Zn5合金的升温速率为10℃/min，升温至1800℃，保温2.0h，并利用感应线圈对熔炼容器(氧化锆坩埚)内的合金物料产生涡流，实现物料的搅拌混合；若温度传感器的检测温度超过预设温度，温度控制器控制感应线圈停止加热或降低加热功率；若温度传感器的检测温度低于预设温度，温度控制器控制感应线圈启动加热或提高加热功率，实现熔炼温度的精确控制；
(4)熔炼结束，温度控制器控制感应线圈停止加热或降低加热功率以控制液态金属Ga50In20Sn15Zn5合金以10℃/min的速度降温至980℃保温1h使熔炼容器(氧化锆坩埚)内的合金充分发生相变；
(5)温度控制器控制感应线圈停止加热或降低加热功率以控制液态金属Ga50In20Sn15Zn5合金以10℃/min的速度降温至室温，待熔炼容器(氧化锆坩埚)内的合金降至室温即得组织均匀的高温钛合金。
实施例5：本实施例采用实施例2液态金属控温真空感应熔炼装置进行玻璃高温熔制，具体步骤如下：
(1)将氧化物原料SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Na2O按照质量百分比含量分别为SiO271％、CaO 6％、MgO 1％、Al2O3 3％和Na2O19％称量，然后置于熔炼容器(硼化锆坩埚)中，将熔炼容器(硼化锆坩埚)置于保温腔体的中心，通过法兰盘连接将石英盖板和石英熔炼箱体连接，氮化硅密封垫片对装置进行密封；通过真空泵抽取保温腔体内部的空气，使保温腔体达到真空状态；
温度控制器控制感应线圈对熔炼箱体的外壁加热，熔炼箱体的外壁将热量传导给液态金属腔内的液态金属Ga50In30Sn20合金，液态金属Ga50In30Sn20合金受热产生涡流进行循环流动，热量在液态金属Ga50In30Sn20合金的流动中迅速形成热对流使液态金属腔瞬时达到均匀稳定的温度；
(2)液态金属Ga50In30Sn20合金作为保温腔体的热源，通过热辐射形式使保温腔体温度达到液态金属Ga50In30Sn20合金的温度；
(3)温度传感器的探头与液态金属Ga50In30Sn20合金接触，监测液态金属Ga50In30Sn20合金的温度，通过温度传感器对温度实时监控，控制液态金属Ga50In30Sn20合金的升温速率为5℃/min，升温至900℃，保温1.0h；再控制液态金属Ga50In30Sn20合金的升温速率为3℃/min，升温至1300℃，保温3.0h以完成熔炼容器(硼化锆坩埚)内玻璃液的均化与澄清，并利用感应线圈对熔炼容器(硼化锆坩埚)内的合金物料产生涡流，实现物料的搅拌混合；若温度传感器的检测温度超过预设温度，温度控制器控制感应线圈停止加热或降低加热功率；若温度传感器的检测温度低于预设温度，温度控制器控制感应线圈启动加热或提高加热功率，实现熔炼温度的精确控制；
(4)熔炼结束，温度控制器控制感应线圈停止加热，待熔炼容器(硼化锆坩埚)内的合金物料降至室温即得组织均匀的玻璃样品。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种液态金属控温真空感应熔炼装置，其特征在于：包括熔炼箱体（2）和熔炼容器（16），熔炼容器（16）设置在熔炼箱体（2）的保温腔体（4）中心，熔炼箱体（2）的内侧壁设置有液态金属腔（6），液态金属腔（6）内填充有液态金属（13），熔炼箱体（2）的外侧壁包覆设置有感应线圈（3），熔炼箱体（2）的底端设置有温度传感器（15），温度传感器（15）的探头与液态金属腔（6）内的液态金属（13）接触，温度传感器（15）外接温度控制器，温度控制器与感应线圈（3）连接；
液态金属（13）的填充度为液态金属腔（6）体积的90%-94%，液态金属腔（6）的未填充区域为真空区（14）。
2.根据权利要求1所述液态金属控温真空感应熔炼装置，其特征在于：保温腔体（4）的内壁设置有与液态金属腔（6）贴合的保温层（5）。
3.根据权利要求1所述液态金属控温真空感应熔炼装置，其特征在于：熔炼箱体（2）的顶部设置有法兰盘（7），法兰盘（7）的顶端固定设置有盖板（9）。
4.根据权利要求3所述液态金属控温真空感应熔炼装置，其特征在于：盖板（9）中心设置有气体管路（11），气体管路（11）与熔炼箱体（2）的保温腔体（4）连通，气体管路（11）外接真空泵（12）。
5.根据权利要求3或4所述液态金属控温真空感应熔炼装置，其特征在于：法兰盘（7）与盖板（9）的连接处设置有密封垫片（8）。
6.根据权利要求5所述液态金属控温真空感应熔炼装置，其特征在于：密封垫片（8）为陶瓷密封垫片。
7.根据权利要求1所述液态金属控温真空感应熔炼装置，其特征在于：液态金属（13）为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟新锡铋合金、镓铋合金中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述液态金属控温真空感应熔炼装置，其特征在于：还包括底座（1），熔炼箱体（2）设置在底座（1）上。
9.基于权利要求1~8任一项所述液态金属控温真空感应熔炼装置的控温方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）温度控制器控制感应线圈对熔炼箱体的外壁加热，熔炼箱体的外壁将热量传导给液态金属腔内的液态金属，液态金属受热产生涡流进行循环流动，热量在液态金属的流动中迅速形成热对流使液态金属腔迅速达到均匀稳定的温度；
（2）液态金属作为保温腔体的热源，通过热辐射形式使保温腔体温度达到液态金属的温度；
（3）温度传感器的探头与液态金属接触，监测液态金属的温度，若温度传感器的检测温度超过预设温度，温度控制器控制感应线圈停止加热或降低加热功率；若温度传感器的检测温度低于预设温度，温度控制器控制感应线圈启动加热或提高加热功率，实现熔炼温度的精确控制。
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