CN113385650B - 一种高温金属及合金真空竖直连铸机 - Google Patents

一种高温金属及合金真空竖直连铸机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高温金属及合金真空竖直连铸机，该连铸机包括真空装置、熔炼装置、保温装置、结晶成型装置以及牵引装置；真空装置包括炉体、上盖体，在炉体上设置排气阀与进气阀；熔炼装置包括坩埚，坩埚设置在炉体内，在坩埚的外围设置有加热线圈，在上盖体上设置有搅拌电机，搅拌电机的输出轴连接有搅拌杆，在搅拌杆的下端部连接有搅拌器；坩埚的下部设置有出料口；结晶成型装置包括结晶器、冷却器与加热器，结晶器设置在坩埚下部的出料口外周方向，在结晶器的外围设置有冷却器；冷却器的外围设置有加热器；牵引装置包括牵引轮，牵引轮成对设置。

Description

一种高温金属及合金真空竖直连铸机
技术领域
本发明属于金属连铸技术领域，具体涉及一种高温金属及合金真空竖直连铸机。
背景技术
随着航空航天、军工、核工业、智能工厂等领域的高速发展，对高温金属及合金丝线材(材料熔点在1600℃-2200℃)需求越来越多。高温金属及合金线材除了复杂均匀的多元成分之外，还需要具有稳定的组织结构，这就对线材坯料提出更高要求。线材坯料成分控制不均匀、铸造缺陷多、组织结构不均匀、偏析严重等直接导致线材加工过程中的断线和线材机械性能(强度、伸长率等)和电学性能不稳定，无法获得长度一定、性能稳定的高性能丝线材，严重影响了高温金属及合金线材在航空航天、军工、核工业等核心领域内的应用。
现有高温金属及合金线坯料(材料熔点在1600℃-2200℃)采用真空浇铸-热锻压-整形-热轧-多道次连续拉拔工艺，该工艺主要存在以下缺点：1.模具浇铸，组织结构均匀性差，铸造缺陷多，对于高温金属或合金存在金属液补给困难，造成铸锭内部存在较多气孔、缩松等缺陷；2.铸锭表面杂质成分较多且存在较多缺陷，在热锻压之前需要对表面和两端进行抛光处理，材料使用效率低；3.由于浇铸模具、热锻压模具限制，无法获得大长度坯料；4.热锻压、轧制过程中坯料表面杂质、污染物易于进入坯料内部形成夹杂，严重降低丝线材后续拉拔加工特性，断线率高；5.工艺流程长，生产效率低。上述诸多问题，严重影响了线材坯料的一致性，给线材的后续加工和使用带来不便。提高高温金属及合金线材坯料长度、消除铸造缺陷、减少加工流程、稳定坯料组份及性能是高温金属及合金线材加工中亟待解决的问题。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温金属及合金真空竖直连铸机，以至少解决目前模具铸造，组织结构均匀性差，铸造缺陷多等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高温金属及合金真空竖直连铸机，该连铸机包括真空装置、熔炼装置、保温装置、结晶成型装置以及牵引装置；
所述真空装置包括炉体、上盖体，在炉体上设置有用于抽真空的排气阀，与用于进气的进气阀；
所述熔炼装置包括坩埚，所述坩埚设置在炉体内，在坩埚的外围设置有加热线圈，在上盖体上设置有搅拌电机，搅拌电机的输出轴连接有搅拌杆，在搅拌杆的下端部连接有搅拌器，所述搅拌器伸入到坩埚中；所述坩埚的下部设置有出料口；
所述保温装置包括固定在炉体上的炉体石墨纤维；在上盖体的下表面设置有盖体石墨纤维；
所述结晶成型装置包括结晶器、冷却器与加热器，所述结晶器设置在坩埚下部的出料口外周方向，在结晶器的外围设置有冷却器，所述冷却器中通入有冷却液；所述冷却器的外围设置有加热器，所述加热器用于调整冷却器温度；
所述牵引装置包括牵引轮，所述牵引轮成对设置，连铸坯料杆从结晶成型装置中穿出后，穿过两个相对设置的牵引轮之间后引出。
如上所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，作为优选方案，所述真空装置还包括升降电机与升降螺杆，所述升降电机控制升降螺杆的升落，在升降螺杆的顶端与上盖体之间固定连接有支架，以通过升降电机控制上盖体的升降开合过程。
如上所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，作为优选方案，所述坩埚包括内层坩埚与外层坩埚，所述内层坩埚为氮化硼坩埚，所述外层坩埚为石墨坩埚。
如上所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，作为优选方案，在结晶器的正下方设置有回收盘，回收盘的中心设置有避让孔，所述避让孔在上下方向与所述出料口对齐。
如上所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，作为优选方案，所述保温装置还包括内部石墨纤维，所述内部石墨纤维绕设在所述坩埚的外围，所述加热线圈设置在所述内部石墨纤维与所述炉体石墨纤维之间。
如上所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，作为优选方案，所述炉体内的底部设置有支撑架，所述结晶成型装置设置在所述支撑架上。
如上所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，作为优选方案，所述支撑架包括固定连接的上撑板与下撑板；所述结晶成型装置还包括隔热垫，所述隔热垫设置在上撑板上，所述坩埚放置在所述隔热垫的上方，所述出料口穿过所述隔热垫并与所述结晶器过盈连接，所述冷却器位于所述隔热垫的下方，所述冷却器与所述加热器均放置在所述下撑板上；
所述冷却器上连接有进液管与出液管。
如上所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，作为优选方案，所述牵引装置还包括牵引轮架，所述牵引轮架上设置有两个所述牵引轮，两个牵引轮均通过轴连接在所述牵引轮架上；
所述牵引轮架内还设置有压紧手柄与压紧螺旋杆、压紧螺旋套，所述压紧螺旋套固定在所述牵引轮架上且设置在两个牵引轮圆心连线的延长线上，所述压紧螺旋杆与所述压紧螺栓套螺旋连接，所述压紧手柄设置在所述压紧螺旋杆远离牵引轮的一端，所述压紧螺旋杆的另一端与牵引轮接触。
如上所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，作为优选方案，所述牵引装置还包括导轨，所述牵引轮架滑动设置在所述导轨上；
所述牵引装置还包括螺杆，所述螺杆的端部设置有位移手柄，所述牵引轮架上固定有螺母，所述螺杆与螺母螺纹配合，通过位移手柄带动螺杆转动，以使螺母相对于螺杆平移，以驱驶牵引轮架沿着导轨平移。
如上所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，作为优选方案，所述牵引装置设置有三个，两个所述牵引装置沿水平方向排布，实现连铸坯料杆的牵引；一个所述牵引装置沿竖直方向排布，实现连铸坯料杆的转向。
有益效果：
本发明的高温金属及合金真空竖直连铸机，通过采用高密度石墨纤维进行保温，并通过配置具有调温功能的结晶成型装置，以及配置搅拌器，使得坩埚内金属熔液的成分能够更加均匀，实现了高温金属及合金的连续铸造，具有成分均匀、无铸造缺陷、组织一致性好及近净成形(即后续机加工少)的特点，为高温金属及合金丝线材的后续加工提供了良好的坯料，减少了材料损耗，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明具体实施例中连铸机的结构示意图；
图2为本发明具体实施例中结晶成型器得到结构示意图。
图中：1、底座；2、牵引轮；3、导轨；4、螺杆；5、位移手柄；6、密封套；7、升降电机；8、石墨坩埚；9、氮化硼坩埚；10、内部石墨纤维；11、升降螺杆；12、支架；13、窥视窗；14、密封胶圈；15、搅拌器罩；16、搅拌电机；17、红外测温仪；18、上盖体；19、真空度表；20、盖体石墨纤维；21、炉体；22、排气阀；23、固定架；24、加热线圈；25、搅拌杆；26、搅拌器；27、隔热垫；28、加热器；29、进气阀；30、结晶器；31、支撑架；32、冷却器；33、进液管与出液管；34、回收盘；35、压紧手柄；36、压紧螺旋杆；37、固定螺栓；38、牵引轮架；39、合金杆；40、牵引头。
具体实施方式
下面将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的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
根据本发明的具体实施例，如图1所示，本发明提供一种高温金属及合金真空竖直连铸机，该连铸机包括支撑装置、真空装置、熔炼装置、保温装置、结晶成型装置以及牵引装置。其中支撑装置由底座1组成，整个连铸机设置在底座1上。
真空装置包括炉体21、上盖体18、升降电机7与升降螺杆11，升降电机7控制升降螺杆11的升落，在升降螺杆11的顶端与上盖体18之间固定连接有支架12。
支架12的左端与螺杆4通过升降螺栓固定连接，支架12的右端焊接在上盖体18上，升降电机7驱动升降螺杆11沿竖直方向上下运动，升降螺杆11通过支架12带动上盖体18上下运动，从而实现上盖体18与炉体21之间的开合；有升降电机7与升降螺杆11配合使用，不仅能够精准的实现上盖体18与炉体21之间的对准开合，而且升降电机7控制升降螺杆11下降，使得上盖体18对炉体21有一个下压力作用，从而保证上盖体18与炉体21之间的严密对合，保证炉体21的热量不会散失。
在上盖体18与炉体21之间还设置有密封圈，上盖体18上焊接固定有真空度表19；在上盖体18的顶部还设有窥视窗13，通过窥视窗13可直接观测到坩埚底部。在炉体21上设置有用于抽真空的排气阀22，与用于进气的进气阀29，进气阀29用于在需要打开上盖体18时，进气阀29向炉体21内充入气体，以平衡炉体内外的气压，便于打开上盖体18。
在炉体21的底部设置有密封套6，密封套6的外周设置有外螺纹，对应的炉体21上设置有内螺纹，密封套6螺纹连接在炉体21上，密封套6的中心设置有穿孔，在穿孔中设置有橡胶密封圈，穿孔与坩埚上的出料口沿上下方向对齐，连铸坯料杆从该穿孔中穿过炉体21，密封套6保证炉体21的密封性，进而保证炉体21内部处于真空状态，避免外界杂质影响合金熔炼。
熔炼装置包括坩埚，坩埚设置在炉体21内，在坩埚的外围设置有加热线圈24，在本实施例中，坩埚包括内层坩埚与外层坩埚，内层坩埚为氮化硼坩埚9，外层坩埚为石墨坩埚8。在其他实施例中，坩埚也可以采用复合材料坩埚，复合材料坩埚的内层为氮化硼材质，外层为石墨材质。坩埚的下部设置有出料口，金属液从出料口中出来经过结晶成型装置而变成连铸坯料杆。
在上盖体18的中心设置有搅拌电机16，在搅拌电机16上还通过螺栓固定有搅拌器罩15，两者连接处设置有密封圈。搅拌电机16的输出轴穿过上盖体18与搅拌杆25连接，在搅拌杆25的端部连接有搅拌器26，搅拌器26伸入到坩埚中；在搅拌杆25与搅拌电机16之间设置有密封胶圈14。
在上盖体18上贯穿设置有红外测温仪17，红外测温仪17的下部指向坩埚内，使得红外测温仪17能够测量坩埚内金属熔液的温度。在本实施例中，加热线圈24与外部中频电源连接，搅拌杆25与搅拌器26的材质均为氮化硼。
保温装置包括固定在炉体21上的炉体石墨纤维，在炉体21内壁上设置有固定架23，炉体石墨纤维通过固定架23固定到炉体21的内壁，具体的，炉体石墨纤维对应固定架23的位置设置有凹槽，炉体石墨纤维卡在固定架23上；在上盖体18的下表面设置有盖体石墨纤维20；保温装置还包括内部石墨纤维10，内部石墨纤维10环绕在坩埚的外围，加热线圈24设置在内部石墨纤维10与炉体石墨纤维之间。
结晶成型装置包括结晶器30、牵引头40、合金杆39、冷却器32与加热器28，结晶器30为氮化硼材料。结晶器30设置在坩埚下部的出料口的外周方向，在结晶器30的外围设置有冷却器32，冷却器32中通入有冷却液；冷却器32的外围设置有加热器28，加热器28用于调整冷却器32温度；在结晶器30的正下方设置有回收盘34，回收盘34由两个半圆结构组成，回收盘34的中心设置有避让孔，避让孔在上下方向与出料口对齐。牵引头40为氮化硼材质，牵引头40长度大于150mm，两头分别设有螺纹孔，与合金杆39一端可以通过螺纹连接在一起；合金杆39材质为高温金属或合金杆，其一端设有螺纹，可以实现与牵引头40的螺纹连接。在本实施例中，回收盘34的材质为氮化硼；在连铸过程中出现漏液情况时，金属液将流入回收盘34中，避免金属液在炉体21内随意流动，而损坏炉体21内部结构。
炉体21内的底部设置有支撑架31，结晶成型装置设置在支撑架31上。支撑架31包括上撑板与下撑板，下撑板位于上撑板下部，下撑板与上撑板水平设置，两者之间设置有支撑板；结晶成型装置还包括隔热垫27，隔热垫27为高密度的石墨纤维材料，隔热垫27厚度不超过50mm，隔热垫27设置在上撑板上，坩埚放置在隔热垫27的上方，出料口穿过隔热垫27并与结晶器30过盈连接，冷却器32位于隔热垫27的下方，冷却器32与加热器28均放置在下撑板上；冷却器32上连接有进液管与出液管33。在本实施例中，冷区器中的冷却介质可以是水、煤油或镓、铟等金属；加热器28采用电阻加热方式，材质可为石墨或其它金属加热器，通过加热器28调整冷却器32温度，从而获得适当的过冷度，保证连铸坯料杆的成型质量。
牵引装置包括牵引轮2，牵引轮2成对设置，连铸坯料杆从结晶成型装置中穿出后，穿过两个相对设置的牵引轮2之间后被引出。牵引轮2表层为橡胶，可增加牵引过程中的摩擦力。
牵引装置还包括牵引轮架38，牵引轮38架上设置有两个牵引轮2，两个牵引轮2均通过轴连接在牵引轮架38上；牵引轮架38内还设置有压紧手柄35与压紧螺旋杆36、压紧螺旋套，压紧螺旋套固定在牵引轮架38上且设置在两个牵引轮2圆心连线的延长线上，在压紧螺旋杆36的外围设置有外螺纹，在压紧螺旋套的内部设置有内螺纹，压紧螺旋杆36与压紧螺栓套螺纹配合，压紧手柄35设置在压紧螺旋杆36远离牵引轮2的一端，压紧螺旋杆36的另一端与牵引轮2接触。通过旋转压紧手柄35可以使得压紧螺旋杆36靠近或者远离牵引轮2，实现单只牵引轮2移动，从而压紧连铸坯料杆，或者调节两个牵引轮2之间的间隙，控制连铸坯料杆的直径。
牵引装置还包括导轨3，牵引轮架38滑动设置在导轨3上；牵引装置还包括螺杆4，螺杆4的端部设置有位移手柄5，牵引轮架38上固定有螺母，螺杆4与螺母螺纹配合，通过位移手柄5带动螺杆4转动，以使螺母相对于螺杆4平移，以驱驶牵引轮架38沿着导轨3平移。轨道通过固定螺栓37固定在底座1上。
牵引装置设置有三个，两个牵引装置沿水平方向排布，实现连铸坯料杆沿竖直方向上的牵引，一个牵引装置沿竖直方向排布，实现连铸坯料杆的转向。连铸坯料杆依次经过两个竖向牵引力和一个横向牵引力后被引出，本发明的牵引装置在连铸初期先牵引出合金杆39，当合金杆39和牵引头40被引出后再牵引出连铸坯料杆，实现高温金属及合金的连铸过程。
在使用连铸机时，首先将牵引头40与合金杆39通过螺纹连接好，并插入到结晶器30中，牵引头40的顶部与氮化硼坩埚9底部平齐。升降电机7控制升降螺杆11向上升起，从而带动上盖体18开启，然后向氮化硼坩埚9内放入待熔炼金属，加热线圈24连通中频电源以对待熔炼金属加热，熔炼过程中加入熔炼辅料，直至金属液成分符合设计要求，然后通过升降电机7控制升降螺杆11落下，使得上盖体18与炉体21封闭起来，再通过排气阀22对封闭炉体进行抽真空，使金属液处于真空状态而避免被外界影响，同时打开搅拌电机16，搅拌杆25带动搅拌器26旋转，保证金属液中成本均匀，不会出现偏析现象，熔炼结束后，启动牵引装置，通过合金杆39和牵引头40将连铸坯料杆从结晶器中牵引出来，实现净成形生产；当合金杆39和牵引头40被引出后再牵引出连铸坯料杆，连铸坯料杆依次穿过回收盘34、密封套6从炉体中穿出，在牵引装置中一对牵引轮的牵引作用下，连铸坯料杆完成大长度坯料的制作。
综上所述，本发明提供的高温金属及合金真空竖直连铸机实现了高温金属及合金的连续铸造，具有成分均匀、无铸造缺陷、组织一致性好及近净成形(即后续机加工少)的特点，为高温金属及合金丝线材的后续加工提供了良好的坯料，减少了材料损耗，提高了生产效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高温金属及合金真空竖直连铸机，其特征在于，该连铸机包括真空装置、熔炼装置、保温装置、结晶成型装置以及牵引装置；
所述真空装置包括炉体、上盖体，在炉体上设置有用于抽真空的排气阀，与用于进气的进气阀；
所述熔炼装置包括坩埚，所述坩埚设置在炉体内，在坩埚的外围设置有加热线圈，在上盖体上设置有搅拌电机，搅拌电机的输出轴连接有搅拌杆，在搅拌杆的下端部连接有搅拌器，所述搅拌器伸入到坩埚中；所述坩埚的下部设置有出料口；
所述保温装置包括固定在炉体上的炉体石墨纤维；在上盖体的下表面设置有盖体石墨纤维；
所述结晶成型装置包括结晶器、冷却器与加热器，所述结晶器设置在坩埚下部的出料口外周方向，在结晶器的外围设置有冷却器，所述冷却器中通入有冷却液；所述冷却器的外围设置有加热器，所述加热器用于调整冷却器温度；
所述牵引装置包括牵引轮，所述牵引轮成对设置，连铸坯料杆从结晶成型装置中穿出后，穿过两个相对设置的牵引轮之间后引出；
所述牵引装置还包括牵引轮架，所述牵引轮架上设置有两个所述牵引轮，两个牵引轮均通过轴连接在所述牵引轮架上；
所述牵引轮架内还设置有压紧手柄与压紧螺旋杆、压紧螺旋套，所述压紧螺旋套固定在所述牵引轮架上且设置在两个牵引轮圆心连线的延长线上，所述压紧螺旋杆与所述压紧螺旋套螺旋连接，所述压紧手柄设置在所述压紧螺旋杆远离牵引轮的一端，所述压紧螺旋杆的另一端与牵引轮接触；
所述牵引装置还包括导轨，所述牵引轮架滑动设置在所述导轨上；
所述牵引装置还包括螺杆，所述螺杆的端部设置有位移手柄，所述牵引轮架上固定有螺母，所述螺杆与螺母螺纹配合，通过位移手柄带动螺杆转动，以使螺母相对于螺杆平移，以驱驶牵引轮架沿着导轨平移；
所述炉体内的底部设置有支撑架，所述结晶成型装置设置在所述支撑架上；
所述支撑架包括固定连接的上撑板与下撑板；所述结晶成型装置还包括隔热垫，所述隔热垫设置在上撑板上，所述坩埚放置在所述隔热垫的上方，所述出料口穿过所述隔热垫并与所述结晶器过盈连接，所述冷却器位于所述隔热垫的下方，所述冷却器与所述加热器均放置在所述下撑板上；
所述冷却器上连接有进液管与出液管。
2.根据权利要求1所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，其特征在于，所述真空装置还包括升降电机与升降螺杆，所述升降电机控制升降螺杆的升落，在升降螺杆的顶端与上盖体之间固定连接有支架，以通过升降电机控制上盖体的升降开合过程。
3.根据权利要求1所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，其特征在于，所述坩埚包括内层坩埚与外层坩埚，所述内层坩埚为氮化硼坩埚，所述外层坩埚为石墨坩埚。
4.根据权利要求2所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，其特征在于，在结晶器的正下方设置有回收盘，回收盘的中心设置有避让孔，所述避让孔在上下方向与所述出料口对齐。
5.根据权利要求1所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，其特征在于，所述保温装置还包括内部石墨纤维，所述内部石墨纤维绕设在所述坩埚的外围，所述加热线圈设置在所述内部石墨纤维与所述炉体石墨纤维之间。
6.根据权利要求1所述的高温金属及合金真空竖直连铸机，其特征在于，所述牵引装置设置有三个，两个所述牵引装置沿水平方向排布，实现连铸坯料杆的牵引；一个所述牵引装置沿竖直方向排布，实现连铸坯料杆的转向。
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