CN113074550B - 一种真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法，涉及感应炉坩埚制作技术领域。本发明所述真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法包括如下步骤：固定线圈；以高纯石英砂和结合剂配制砂料A、砂料B；以砂料A打制炉底；以筑炉炉衬材料进行炉衬衬底和炉壁的打结；待打结至自上而下数第二根线圈的上端时，以砂料B进行炉口打结，打结至线圈的顶部，得到新打制的坩埚；烘烤，得到所述真空感应熔炼炉坩埚；所述步骤(2)中，砂料A由如下重量份的成分组成：高纯石英砂86～88份和结合剂12～14份，砂料B由如下重量份的成分组成：高纯石英砂75～77份和结合剂23～25份。由本发明所述方案进行打制，对人体危害小，并且制作的坩埚具有较高的强度。

Description

一种真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法
技术领域
本发明涉及感应炉坩埚的制作技术领域，尤其涉及一种真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法。
背景技术
真空感应熔炼(Vacuum induction melting，简称VIM)，是在感应线圈中由电磁感应获得感应电流，放置在线圈中的物料会因感应电流产生电磁涡流而熔化。熔炼时物料放置在坩埚中，坩埚放置在线圈中。因此，坩埚是熔化和精炼金属液体以及固液加热、反应的容器，是保证真空熔炼顺利进行的必备条件。
CN201310346517.1公开了一种中频感应炉坩埚的打制烘烤烧结方法，包括直接在中频感应炉内打制坩埚底部和利用钢模打制坩埚侧壁及打制炉口的坩埚模打制过程、利用中频感应炉对坩埚模进行加热烘烤烧结过程，加热烘烤烧结过程包括烘烤、注入钢液和保温等工艺阶段。本发明在保证坩埚成型质量和寿命的同时，大大缩短了烘烤烧结的时间，提高了工作效率，降低了生产成本。使用本发明制得的坩埚致密度高，裂纹少，质量稳定。
CN201310351361.6公开了一种湿式半自动打制坩埚方法。该方法具体步骤包括：按不同配比对填料和水玻璃进行混料，以分别形成用于坩埚底、坩埚壁和坩埚嘴打制的备料，并将其放在容器内进行保湿、待用的工序；在感应炉的线圈内铺上石棉布，打制坩埚底，并利用捣固机加强打制密实度的工序；放入预置坩埚，打制坩埚壁的工序；打制坩埚嘴的工序。该湿式半自动打制坩埚方法工序简单合理，在混料时采用搅拌机代替人工，在打制坩埚底和坩埚壁时，利用捣固机加强打制密实度，提高了混料的均匀度和打制密实度，进而提高坩埚使用寿命和打坩埚工作效率，同时减轻了工作强度。
以上涉及的打制工艺总结起来不外乎有两种：第一种，湿法打制，用不同耐火材料与粘接剂按照不同的配比混料打制，第二种从炉底到炉口干法打制，湿混料封口。
但是，这些打制坩埚的工艺方法有如下缺陷：第一，所用的石棉布具有致癌作用，影响作业人员的健康；第二，若用湿法打制，则打制的坩埚在后期更换坩埚过程中拆解难度大，拆解过程容易损坏线圈且烘干坩埚所用的时间长，能耗大，增加了生产成本，降低了工作效率；若用干法打制，则打制的坩埚易于开裂，使用炉次较少；第三，有限空间内不便于机器作业，影响作业进程；第四，使用机器时会对线圈造成损害，长久下去会使线圈变形；第五，打制的坩埚嘴若发生脱落，则会污染物料。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法，包括如下步骤：
(1)将线圈安装到真空感应熔炼炉内，底部放置石棉板，并在线圈内侧和底部铺以硅酸铝玻璃纤维耐火布；
(2)以高纯石英砂和结合剂配制砂料A、砂料B；
(3)将砂料A加入步骤(1)铺置好的线圈中进行炉底打结；
(4)待砂料A填充到线圈自底向上数第一根线圈的上端时，停止填充砂料A，填充筑炉炉衬材料进行炉衬衬底部分的打结，填充到线圈自底向上数第三根线圈的上端时，停止打结；
(5)放入坩埚，将筑炉炉衬材料填充在坩埚周围，进行炉壁的打结；
(6)待打结至自上而下数第二根线圈的上端时，停止填充筑炉炉衬材料，加入砂料B进行炉口打结，打结至线圈的顶部，得到新打制的坩埚；
(7)在新打制的坩埚内装入高温合金作为炉料，通电对其进行烘烤，得到所述真空感应熔炼炉坩埚；
所述步骤(2)中，砂料A由如下重量份的成分组成：高纯石英砂86～88份和结合剂12～14份，砂料B由如下重量份的成分组成：高纯石英砂75～77份和结合剂23～25份。
在整个打结过程中注意不能扎破硅酸铝玻璃纤维耐火布，同时，打制时需要经常观察放入的坩埚是否处于正中心，以免发生歪斜，使得坩埚壁厚薄不均，降低使用寿命。
本发明对炉底、炉衬和炉口材料分别进行选择。由于炉底相比于炉口，受到热冲击的频率更高，因此，在炉底材料中，高纯石英砂的用量更大；同时，为了保证烧结性和致密度，本发明对炉底和炉口材料中结合剂的含量进行了调控；此外，本发明还对不同材料的填充量进行了限定，综合以上因素，保证了坩埚具有良好的烧结性和强度，使得采用本发明所述方案制备的坩埚至少可使用6次。此外，相比于石棉布，本发明使用的石棉板不会掉渣，对人体的危害更小；另外，本发明还对耐高温黏土砖与石棉板进行了对比，试验结果表明，其强度不如石棉板，在打制过程中易碎。
优选地，将硅酸铝玻璃纤维耐火布伸出线圈顶部70～100mm，避免打制过程中耐火布下滑，并且将多余的耐火布剪成6～8块，可以使耐火布分散开，更利于人工捣打。
优选地，所述步骤(2)中，砂料A和砂料B所用高纯石英砂由三种粒度的高纯石英砂组成，砂料A中三种粒度的高纯石英砂的配比为：3～5mm石英砂：0.15～0.5mm石英砂：0.01～0.05mm石英砂＝38～40:25～27:20～22；砂料B中三种粒度的高纯石英砂的配比为：3～5mm石英砂：0.15～0.5mm石英砂：0.01～0.05mm石英砂＝23～25:23～25:28～30。
粗砂含量越高，耐急冷即热性能越好，同时，粗砂还起到骨架的作用，使得打制的坩埚具有一定的强度；中等粒度的砂料可以增加堆积密度，改善烧结性；细粒度砂料可以保证坩埚具有较好的烧结质量，致密度更高。因此，对于不易烧结的炉口区，在混料中加大细砂的配比，可以得到较为结实的浇铸冒口。
优选地，所述结合剂为水玻璃。
优选地，所述步骤(3)中，炉底打结时分3～5次填充砂料A，每次填充后打结8～10min。
优选地，所述步骤(4)中，炉衬衬底部分打结时分6～8次填充筑炉炉衬材料，每次填充后打结8～10min。
优选地，所述步骤(6)中，炉口打结时分2～4次填充砂料B，每次填充后打结8～10min。
优选地，所述步骤(5)中，坩埚正立于线圈中心竖直放置，放好之后盖上黑色聚四氟乙烯防尘盖。
优选地，所述步骤(6)中，炉口打结时，在正对着浇铸的方向的一侧做一条导流槽。
优选地，所述导流槽的宽度为30～50mm，深度为3～5mm。
优选地，所述步骤(7)中，烘烤前在炉口打结处戳孔，以便于烘烤时排出水蒸气，以免炉口开裂。所述烘烤的方法有两种，对于25公斤级坩埚：3～4.5kW烧结0～2h，然后5～6kW烧结0.5～1h，最后7～8kW烧结3～3.5h；对于50公斤级坩埚：9～10.5kW烧结2h，然后11～12.5kW烧结0.5～1h，最后15～17kW烧结3～3.5h。若采用炉外打制自然烘干的方法，时间成本较高，并且吊装过程易发生砸伤，产生高空坠物风险，采用炉外打制烘箱烘干具有同样的风险，而本发明直接在炉内烘干，无论是从时间成本或能耗方面都明显优于前述两种方式。
同时，本发明还公开了一种由上述打炉方法制备的真空感应熔炼炉坩埚。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：本发明所述打炉方法工序简单，对人体危害小，本发明通过对炉底、炉壁和炉口的原料进行选择，使打制的坩埚兼具良好的烧结性和致密性。由本发明所述方法打制的坩埚可重复使用至少6次，并且，所述坩埚便于从感应炉中拆解下来，替换方便。
附图说明
图1为本发明所述打炉方法的工艺流程图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如无特殊说明，实施例中所用原料的物化参数如表1～3所示：
表1高纯石英砂物化性能
Figure BDA0003052212360000051
表2酸性筑炉材料化学成分
含量 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O H<sub>2</sub>O
％ ≥97.5 ≤0.72 ≤0.41 ≤0.1 ≤0.5
表3酸性筑炉材料物理性能
粒度 材料密度 建议使用温度 最高使用温度
≤4mm 2.1g/cm<sup>3</sup> 1650～1700℃ 1700℃
实施例1
本发明所述真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法的实施例，本实施例打制的坩埚为25公斤级坩埚，本实施例对砂料A的配比进行了研究，将制备完成的坩埚放置在1500℃下使用2h，重复使用，直至坩埚开裂，记录其正常使用的炉次，详见表4，砂料B的配方如表5所示；本实施例所述打炉方法如图1所示，包括如下步骤：
(1)将铜线圈安装到中频真空感应熔炼炉内，底部放置石棉板，并在铜线圈内侧和底部铺以硅酸铝玻璃纤维耐火布，使其深处铜线圈顶部80mm，并将多余部分剪成6块；
(2)以高纯石英砂和结合剂配制砂料A、砂料B；
(3)将砂料A分5次加入步骤(1)铺置好的铜线圈中进行炉底打结，每次加入砂料A后打结10min；
(4)待砂料A填充到铜线圈自底向上数第一根线圈的上端时，停止填充砂料A，填充酸性筑炉材料至铜线圈自底向上数第三根线圈的上端，进行炉衬衬底部分的打结，打结9min；
(5)将刚玉坩埚放置在铜线圈正中心，放好后盖上黑色聚四氟乙烯防尘盖，将酸性筑炉材料填充在坩埚周围，进行炉壁的打结，此处，酸性筑炉材料分8次填充，每次填充后打结10min；
(6)待打结至自上而下数第二根线圈的上端时，停止填充酸性筑炉材料，分4次加入砂料B进行炉口打结，每次加料后打结9min，打结至铜线圈的顶部，得到新打制的坩埚；
(7)在新打制的坩埚的炉口处戳一些小孔，然后在坩埚内装入镍基高温合金作为炉料，通电对其进行烘烤，先以4kW的功率烘烤1h，再以5.5kW的功率烘烤0.5h，最后以7kW的功率烘烤3.5h，得到25公斤级真空感应熔炼炉坩埚；
打结过程使用的工具为直径14mm的304不锈钢尖头棒与直径30mm的白色聚四氟乙烯棒。
表4
Figure BDA0003052212360000061
Figure BDA0003052212360000071
表5砂料B配方表(重量份)
成分 3～5mm石英砂 0.15～0.5mm石英砂 0.01～0.05mm石英砂 水玻璃
含量 24 24 29 23
从表4中可知，由配方2组成的砂料A打制成型后，坩埚具有最高的强度，各粒度的石英砂可以相互充分嵌合，使制备的坩埚具有更高的致密度。此外，对比配方1～4和配方5～6可知，水玻璃的用量对坩埚的强度也具有一定影响，只有当砂料A中水玻璃的含量为12～14％时，才能保证坩埚具有良好的致密度和强度。
实施例2
本发明所述真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法的实施例，本实施例对砂料B的配比进行了研究，详见表6，砂料A中各成分的配比与配方2相同。本实施例所述打炉方法与实施例1相同。
表6
Figure BDA0003052212360000072
由表6可知，相比于配方7～9，配方10的综合性能稍差，表明砂料B的最优配方为3～5mm石英砂：0.15～0.5mm石英砂：0.01～0.05mm石英砂＝23～25:23～25:28～30。
实施例3
本发明所述真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法的实施例，本实施例对打炉时的填料次数进行了研究，详见表7，各成分的配比与配方2相同，除炉底、炉壁、炉口的填料次数外，其余打炉条件与实施例1相同。
表7
项目 炉底/次数 炉壁/次数 炉口/次数 使用炉次 致密度/g·cm<sup>-3</sup>
1 4 8 4 7 2.01
2 5 7 2 9 2.18
3 3 8 4 6 1.95
4 5 6 3 7 1.99
5 5 5 4 5 1.91
从表7中可知，当炉底的打结次数为3～5次，炉壁的打结次数为6～8次，炉口的打结次数为2～4次时，打制出的坩埚的致密度更高。
实施例4
本发明所述真空感应熔炼炉坩埚的一种实施例，本实施例所述坩埚为50公斤级坩埚。其制备配方与实施例1中的配方2相同，除烘干条件外，其余制备条件与实施例1相同。本实施例所述坩埚的烘干条件为：以10kW的功率烧结2h，然后以12kW的功率烧结0.5h，最后以17kW的功率烧结3h。对制备的坩埚进行致密度测试，致密度为2.16/g·cm-3，采用上述测试方法进行使用炉次的测试，结果显示，本实施例所述坩埚可使用8-9次。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，但并不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将线圈安装到真空感应熔炼炉内，底部放置石棉板，并在线圈内侧和底部铺以硅酸铝玻璃纤维耐火布；
(2)以高纯石英砂和结合剂配制砂料A、砂料B；
(3)将砂料A加入步骤(1)铺置好的线圈中进行炉底打结；
(4)待砂料A填充到线圈自底向上数第一根线圈的上端时，停止填充砂料A，填充筑炉炉衬材料进行炉衬衬底部分的打结，填充到线圈自底向上数第三根线圈的上端时，停止打结；
(5)放入坩埚，将筑炉炉衬材料填充在坩埚周围，进行炉壁的打结；
(6)待打结至自上而下数第二根线圈的上端时，停止填充筑炉炉衬材料，加入砂料B进行炉口打结，打结至线圈的顶部，得到新打制的坩埚；
(7)在新打制的坩埚内装入高温合金作为炉料，通电对其进行烘烤，得到所述真空感应熔炼炉坩埚；
所述步骤(2)中，砂料A由如下重量份的成分组成：高纯石英砂86～88份和结合剂12～14份，砂料B由如下重量份的成分组成：高纯石英砂75～77份和结合剂23～25份；
所述步骤(2)中，砂料A和砂料B所用高纯石英砂由三种粒度的高纯石英砂组成，砂料A中三种粒度的高纯石英砂的配比为：3～5mm石英砂：0.15～0.5mm石英砂：0.01～0.05mm石英砂＝38～40:25～27:20～22；砂料B中三种粒度的高纯石英砂的配比为：3～5mm石英砂：0.15～0.5mm石英砂：0.01～0.05mm石英砂＝23～25:23～25:28～30。
2.如权利要求1所述的真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法，其特征在于，所述结合剂为水玻璃。
3.如权利要求1所述的真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法，其特征在于，所述步骤(3)中，炉底打结时分3～5次填充砂料A，每次填充后打结8～10min。
4.如权利要求1所述的真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法，其特征在于，所述步骤(4)中，炉衬衬底部分打结时分6～8次填充筑炉炉衬材料，每次填充后打结8～10min。
5.如权利要求1所述的真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法，其特征在于，所述步骤(6)中，炉口打结时分2～4次填充砂料B，每次填充后打结8～10min。
6.如权利要求1所述的真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法，其特征在于，所述步骤(5)中，坩埚正立于铜线圈中心竖直放置。
7.如权利要求1所述的真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法，其特征在于，所述步骤(6)中，炉口打结时，在正对着浇铸的方向的一侧做一条导流槽。
8.如权利要求1所述的真空感应熔炼炉坩埚的打炉方法，其特征在于，所述步骤(7)中，烘烤前在炉口打结处戳孔，以便于烘烤时排出水蒸气；所述烘烤的方法有两种，对于25公斤级坩埚：3～4.5kW烧结0～2h，然后5～6kW烧结0.5～1h，最后7～8kW烧结3～3.5h；对于50公斤级坩埚：9～10.5kW烧结2h，然后11～12.5kW烧结0.5～1h，最后15～17kW烧结3～3.5h。
9.一种由如权利要求1～8任一项所述打炉方法制备的真空感应熔炼炉埚。
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