CN114061307B - 冷坩埚反重力精密铸造设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于真空冶金设备技术领域，尤其涉及一种冷坩埚反重力精密铸造设备。其能够满足不同熔炼条件，安全性高，并可实现多种难熔活泼金属的熔炼。包括由熔炼室、模具室构成的炉体；熔炼室内设置有冷坩埚熔炼系统；其特征在于，冷坩埚熔炼系统为分瓣式水冷铜坩埚，水冷铜坩埚周围设置有熔炼感应线圈；水冷铜坩埚上方设置有吸铸管，熔液在熔炼室中的冷坩埚熔炼系统完成熔炼后，给熔炼室充压，溶液受压后由吸铸管向上进入模具室，完成吸铸；水冷铜坩埚的坩埚底采用弧形底面。

Description

冷坩埚反重力精密铸造设备

技术领域

本发明属于真空冶金设备技术领域，尤其涉及一种冷坩埚反重力精密铸造设备。

背景技术

金属冶炼工业作为我国国民经济的基础工业，其传统的生产流程要持续发展遇到众多障碍。开发新型冶炼技术,采用冷坩埚反重力吸铸技术具有重大意义。

在20世纪50年代末，感应熔炼已经成为金属及合金材料的一种十分成熟和有效地生产方式。有人也希望能够将感应熔炼技术应用于难熔活泼金属以及其合金的熔炼中，并且做出了各种尝试。首先是将普通的耐火氧化物坩埚改换成致密的人造石墨坩埚，试验中发现金属中渗碳严重，导致性能变差。为了解决渗碳问题，在坩埚内表面上涂敷氧化钇或其他相对于熔炼金属较为惰性的耐火材料涂层，经过试验发现，虽然可以减少碳对的污染，但是涂层寿面很短。

上世纪五六十年代，美国BMI研究所先后提出把整体铜坩埚改成为由四块弧形铜瓣组成的铜坩埚，块间用陶瓷绝缘，然后将铜坩埚和感应线圈一同浸入水套中，成功的用感应炉熔炼钛、锆等活性金属获得成功。试验证明，采用水冷铜坩埚可以有效避免熔炼过程中熔炼金属所受的污染。而采取反重力吸铸方式可以改善熔炼效果，提高熔炼金属的纯度，提高其性能。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种结构简单能耗低、工作效率高、且熔炼质量好且成分纯净、充形效果好，满足不同熔炼条件，安全性高，并可实现多种难熔活泼金属的熔炼设备。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括由熔炼室、模具室构成的炉体；熔炼室内设置有冷坩埚熔炼系统；其特征在于，冷坩埚熔炼系统为分瓣式水冷铜坩埚，水冷铜坩埚周围设置有熔炼感应线圈；水冷铜坩埚上方设置有吸铸管；

熔液在熔炼室中的冷坩埚熔炼系统完成熔炼后，给熔炼室充压，溶液受压后由吸铸管向上进入模具室，完成吸铸；（吸铸方式可以有效避免气体夹杂，具有成分纯净，充形效果好等特点。）水冷铜坩埚的坩埚底采用弧形底面。

进一步地，所述坩埚底为带有切缝的弧形底面，用于溶液底注功能；坩埚底且设置有独立的循环水路，用于保证坩埚底冷却水量。

进一步地，所述冷坩埚熔炼系统包括分瓣式水冷铜坩埚壁、坩埚壁底部的水冷铜坩埚底、位于水冷铜坩埚底下方的回水座；所述冷坩埚熔炼系统还包括坩埚进回水环、分水器；所述回水座安装在支撑架上，通过支撑架与熔炼室固定连接；熔炼电极与熔炼室内的熔炼感应线圈相连接。

进一步地，所述熔炼室为卧式结构，模具室为立式结构，且模具室与熔炼室上下相贯焊接；熔炼室与模具室均采用压力容器标准制造，所有腔室（包括熔炼室、模具室、水冷铜坩埚、感应线圈）为双层金属壁，中间通冷却水。

进一步地，熔炼电极通过铜电极引电与电源系统相连接。

进一步地，所述熔炼室设置有炉门，模具室设置有炉盖；打开炉盖或炉门后，内部整体露出便于装取炉料及日常安装维护。

进一步地，所述炉体还设置有X射线检测铍窗口、真空系统、加料机构、红外测温机构、电源系统、电气控制系统、操作台、加热保温装置；所述红外测温机构安装在熔炼室与模具室上预留的红外测温接口，用于红外测温使用，红外测温通过反射片反射测量熔液温度，反射片（非晶材料平面反射片）；同时安装有热电偶测温机构用来校验红外测温的准确性；该热电偶测温机构包括测温枪、热电偶；（外部手柄旋转操作，可在不破坏熔炼室真空度情况下进行精炼过程中的多次快速测温。）所述X射线检测铍窗口位于模具室内，窗口安装有X射线检测设备。

更进一步地，所述加热保温装置包括相对设置的左右两部分：左半部和右半部，左半部固定于模具室一侧，右半部固定于模具室另一侧；且吸铸管位于左右两半部间；左半部与右半部结构相同，均包括开口朝前的保温瓣、与保温瓣相连的伸缩气缸；加热时，气缸带动两瓣合拢对吸铸管进行加热保温，准备吸铸前，气缸带动两瓣打开（分开，躲开整个模具机构。）

进一步地，熔炼室内设置有热偶测温装置、红外反射屏、观察反射屏；熔炼室与模具室上均配有安全阀，安全阀的工作端口与熔炼室及模具室的工作腔体相连通。

与现有技术相比本发明有益效果。

本发明设备结构简单，加工制造与维护成本低，安装方便，节能环保，安全性好。所有部件采用耐压设计，可用于难熔活泼金属合金熔炼，在熔炼Ti、TiAl合金及Zr合金等难熔活泼金属时，可以准确控制熔炼条件，因而在应用上灵活，吸铸式熔炼方法具有充形率高，成分纯净，避免气体混杂等优点。

本发明冷坩埚熔炼系统采用分瓣式串联冷却循环模式，分瓣式结构具有电效率高、寿命长、安全可靠、易于拆卸、便用维护等优点。

本发明弧形坩埚底具有透磁率高、过热度高、凝壳少（小于10%）且凝壳可重复熔化，不浪费原料等优势。

本发明装备有多个观察窗口，多种测温装置以及X射线检测设备安装窗口，可以全面监控熔炼过程，同时可对熔炼条件进行调节，满足多种金属高品质难熔活泼金属合金的熔炼要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1为本发明整体结构示意图；

图2本发明内部视图；

图3为本发明内部局部放大视图；

图4为本发明俯视图；

图5为本发明为冷坩埚熔炼系统局部放大视图；

图6a为本发明为水冷铜坩埚局部放大视图；

图6b为图6a的A向剖开示意图。

图7a为加热保温装置局部放大视图之分开状态。

图7b为加热保温装置局部放大视图之合拢状态。

图8为坩埚翻转及铜电极引电系统示意图。

图中，1.熔炼室、2.模具室、3.炉盖、4.炉门、5.冷坩埚熔炼系统、6.炉门升降转动系统、7.吸铸管、8.加热保温装置、9.热偶测温装置、10.红外测温机构、11.X射线检测铍窗口、12.电源系统、13.加料装置、14.真空系统、15.铜电极引电、16.气动系统、18、红外反射屏、19.观察反射屏、20.安全阀、21.电气控制系统、22.操作台、23.支撑架、24为熔炼感应线圈、25为分水器、26为水冷铜坩埚底、27为回水座、28为坩埚进回水环、29为水冷铜坩埚壁、30为弧形底面、31为冷坩埚分瓣、31为伸缩气缸、32为保温外壳、33为套筒、34为铜电极引电机构、35为齿轮机构。

具体实施方式

如图1-8所示，本发明具体实施方式：包括熔炼室1、模具室2、炉盖3、炉门4、冷坩埚熔炼系统5、炉门升降转动系统6、吸铸管7、加热保温装置8、热偶测温装置9、红外测温机构10、X射线检测铍窗口11、电源系统12、加料装置13、真空系统14、坩埚翻转及铜电级引电15、气动系统16、观察装置17、红外反射屏18、观察反射屏19、安全阀20、电气控制系统21、操作台22以及其它确保设备正常、稳定、长期、可靠运行所必需的其它配套设施。

冷坩埚熔炼系统5包括熔炼感应线圈24、分水器25、水冷铜坩埚底26、回水座27、坩埚进回水环28、水冷铜坩埚壁29，回水座27安装在支撑架23上，作为整体结构与熔炼室1固定连接；熔炼电极通过密封结构分别与熔炼室1内的熔炼感应线圈24相连接，电极外部通过铜电极引电15与电源系统12相连接。同时，坩埚还与坩埚翻转机构相连。

如图8所示，坩埚翻转及铜电极引电系统说明：坩埚支撑架23与套筒连接，在炉体外部由伺服电机驱动齿轮机构35，齿轮带动套筒33及坩埚支撑架等部件旋转，实现坩埚翻转。同时铜电极引电机构34由套筒33内穿入炉体，完成对坩埚的供电。这样就可以实现由炉体上一处开孔，同时安装坩埚翻转机构与铜电极引电机构。

本发明所述炉体由熔炼室1与模具室2组成，熔炼室1为卧式结构，模具室2为立式结构，与熔炼室1上下相贯焊接。熔炼室1与模具室2均采用压力容器标准制造。所有腔室为双层金属壁，中间通冷却水。熔液在熔炼室1中的冷坩埚熔炼系统5完成熔炼后，给熔炼室1充压，溶液受压后由吸液管向上进入模具室2，完成吸铸。吸铸方式可以有效避免气体夹杂，具有成分纯净，充形效果好等特点。

本发明所述的冷坩埚反重力精密铸造设备，冷坩埚侧壁的由一整件铜料机加工而成，而采用16-30瓣的冷坩埚分瓣以圆周方向形成一个“筒”。这种方式的具有三大优势：其一，是可大幅降低中小型冷坩埚的制造成本；其二，由于是整体锻造的胚料所以材料整体质量可以得到保证；其三，弧形坩埚底具有，透磁率高，过热度高，凝壳少等优势，可以有效提高熔炼效果。所述水冷铜坩埚壁29是采用多组带有独立循环水道的铜坩埚瓣拼接而成，降低了加工制造的难度同时也节省日后维护成本；所述水冷铜坩埚底26为带有切缝锥形结构，可实现熔液底注功能并且设计有独立的循环水路，保证埚底冷却水量，见图5、图6。具体说明：水冷铜坩埚底为带有切缝弧形结构，间隙尺寸约为0.3~0.4mm，并用陶瓷片填充，分瓣式坩埚间隙用于透磁，保证熔炼。

本发明所述的冷坩埚反重力精密铸造设备，所述红外测温机构10安装在熔炼室1与模具室2上预留的红外测温接口，用于红外测温使用，红外测温通过反射片反射测量熔液温度，反射片（非晶材料平面反射片）；同时安装有热电偶测温机构9用来校验红外测温的准确性,由测温枪、热电偶等组成，外部手柄旋转操作，可在不破坏熔炼室真空度情况下进行精炼过程中的多次快速测温；所述加料机构13用于向冷坩埚熔炼系统内添加合金成分，或进行少量补料。该设备中的加料机构13需在熔炼前将所要添加的合金材料放入加料斗中，待需要添加时，通过外部手柄手动旋转添加。所述X射线检测铍窗口11位于模具室2，窗口处可根据需要安装X射线检测设备，可以有效监控炉体内工作状况，以保证对熔炼的全面监控与调节，从而满足多种熔炼需求。

本发明冷坩埚反重力精密铸造设备，加热保温装置8采用电阻加热方式，最高保温加热温度900℃，加热套采用耐热不锈钢。

加热保温装置8采用分瓣式结构设计，加热机构分为2瓣，通过两个气缸推拉实现开合的设计，加热时两瓣合拢对吸铸管7进行加热保温，模具下降（准备吸铸）前，两瓣（保温瓣或叫保温外壳）打开躲开整个模具机构，见图7。

本发明冷坩埚反重力精密铸造设备，所述的熔炼室1与模具室2及其内部设备均采用耐压设计，符合压力容器设计标准，炉体炉盖3与炉门4采用齿圈锁紧方式，由两个大推力气缸做为动力输出源，保证使用过程中安全性与可靠性。熔炼室1与模具室2上配有安全阀18，防止因充气压力超过使用范围导致的安全问题。安全阀18的工作端口与熔炼室1与模具室2工作腔体相通。

本发明排空气体经过干式过滤器过滤后才能最终进入机械泵真空系统，能有效收集熔炼过程中产生的挥发物、油脂、粉尘等，避免粉尘颗粒对机械泵转子的划伤，减缓对泵油的污染。同时，为防止熔炼过程中由于意外导致的水冷铜坩埚熔穿冷却水与熔融液体接触发生的不可预见反应状况，熔炼室1与模具室2均设置独立的安全阀。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.冷坩埚反重力精密铸造设备，包括由熔炼室、模具室构成的炉体；熔炼室内设置有冷坩埚熔炼系统；其特征在于：冷坩埚熔炼系统为分瓣式水冷铜坩埚，水冷铜坩埚周围设置有熔炼感应线圈；水冷铜坩埚上方设置有吸铸管；

熔液在熔炼室中的冷坩埚熔炼系统完成熔炼后，给熔炼室充压，溶液受压后由吸铸管向上进入模具室，完成吸铸；水冷铜坩埚的坩埚底采用弧形底面；

所述坩埚底为带有切缝的弧形底面，用于溶液底注功能；且 坩埚底设置有独立的循环水路，用于保证坩埚底冷却水量；

所述冷坩埚熔炼系统包括分瓣式水冷铜坩埚壁、坩埚壁底部的水冷铜坩埚底、位于水冷铜坩埚底下方的回水座；所述冷坩埚熔炼系统还包括坩埚进回水环、分水器；所述回水座安装在支撑架上，通过支撑架与熔炼室固定连接；熔炼电极与熔炼室内的熔炼感应线圈相连接；

所述熔炼室为卧式结构，模具室为立式结构，且模具室与熔炼室上下相贯焊接；熔炼室与模具室均采用压力容器标准制造，所有腔室为双层金属壁，中间通冷却水；

所述炉体还设置有X射线检测铍窗口、真空系统、加料机构、红外测温机构、电源系统、电气控制系统、操作台、加热保温装置；所述红外测温机构安装在熔炼室与模具室上预留的红外测温接口，用于红外测温使用，红外测温通过反射片反射测量熔液温度；同时安装有热电偶测温机构用来校验红外测温的准确性；该热电偶测温机构包括测温枪、热电偶；所述X射线检测铍窗口位于模具室内，窗口安装有X射线检测设备；

所述加热保温装置包括相对设置的左右两部分：左半部和右半部，左半部固定于模具室一侧，右半部固定于模具室另一侧；且吸铸管位于左右两半部间；左半部与右半部结构相同，均包括开口朝前的保温瓣、与保温瓣相连的伸缩气缸；加热时，气缸带动两瓣合拢对吸铸管进行加热保温，准备吸铸前，气缸带动两瓣打开。

2.根据权利要求1所述的冷坩埚反重力精密铸造设备，其特征在于：熔炼电极通过铜电极引电与电源系统相连接。

3.根据权利要求1所述的冷坩埚反重力精密铸造设备，其特征在于：所述熔炼室设置有炉门，模具室设置有炉盖；打开炉盖或炉门后，内部整体露出。

4.根据权利要求1所述的冷坩埚反重力精密铸造设备，其特征在于：熔炼室内设置有热偶测温装置、红外反射屏、观察反射屏；熔炼室与模具室上均配有安全阀，安全阀的工作端口与熔炼室及模具室的工作腔体相连通。

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