CN114346212A - 一种用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉及铸造方法 - Google Patents

一种用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉及铸造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉及铸造方法。一种用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，包括炉体、感应加热系统、真空系统。所述炉体中放置有石墨坩埚、石英模具组件，石英模具组件位于石墨坩埚上方，炉体通过密封件实现密封。真空系统包括真空管道组件、真空泵；炉体通过真空管道组件和真空泵连接。本发明的技术方案专门用于铸造高致密度、均匀无宏观偏析的小直径棒状材料的调压铸造，解决了重力铸造小直径棒状铸件时的缩孔等缺陷问题，适用于易氧化的活泼金属。

Description

一种用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉及铸造方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉及铸造方法。
背景技术
调压铸造属于反重力铸造的一种，反重力铸造是以外部作用力驱动金属液，使其沿反重力方向进入型腔并完成充型和补缩的铸造方法。在反重力铸造技术的应用中，通过外部气压控制来驱动金属液进行充型，同时利用重力来实现金属液面的流动约束，在获得更高的充型及补缩动力的同时获得平稳的充型流动。
反重力铸造根据原理可以分为真空吸铸、低压铸造、差压铸造和调压铸造。而调压铸造是四种铸造方式中设备最复杂，功能最强大的一种铸造方式。其充型稳定性、充型能力和顺序凝固条件均优于其他反重力铸造，可铸造壁厚更薄，棒径更小且力学性能更好的大型薄壁件和棒状铸件。造成该设备复杂的主要原因是其不仅能实现正压控制，还能够实现负压控制。这也就要求该炉体在具有精确的压力测量和控制装置基础上，还要具备足够的耐压能力和压力容器系统刚度，以避免炉体在真空条件下变形。
国内小直径棒状铸件大多采用重力铸造后进行机械加工方法得到铸件，但该方法中仅有重力作为金属液充型和补缩的作用力，在浇铸过程中，容易形成不稳定液流，造成液流飞溅和复杂汇流，导致气体和氧化夹渣卷入，影响金属铸件的质量。与此同时，仅仅以重力作为驱动力的铸造方式，难以获得较高的补缩压头，对于有元素重分布倾向的多元合金来说，很难获得高致密度、均匀无宏观偏析的铸件。对于小直径棒状材料，重力铸造中的气孔(析出性、反应性、侵入性)、裂纹、缩孔和缩松尤为严重。
针对上述现有技术中存在的缺点，急需设计一种用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，解决重力铸造小直径棒状铸件时的缩孔等缺陷问题，实现成型高性能的易氧化活泼金属的小直径棒状铸件。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，包括炉体、感应加热系统、真空系统。所述炉体中放置有石墨坩埚、石英模具组件，石英模具组件位于石墨坩埚上方，炉体通过密封件实现密封。真空系统包括真空管道组件、真空泵；炉体通过真空管道组件和真空泵连接。
所述石英模具组件为若干个并列设置的石英模具，石英模具组件的对称轴处设置有搅拌棒。石英模具的外围设置有电阻保温套，具有电阻加热功能。
所述用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉还设置有测温系统，所述测温系统包括两个热电偶、温度显示仪。
B型热电偶一端连接石英模具，另一端连接温度显示仪。温度显示仪通过数据线将温度数据反馈给电阻保温套。电阻保温套的外侧设置有保温电极。
K型热电偶的一端连接石墨坩埚，另一端连接坩埚温度显示仪。
所述用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉还在石墨坩埚的下方设置有升降系统，用于调节石墨坩埚的高度。升降系统通过动密封连接于炉体下部。
所述感应加热系统包括感应线圈、隔热层、感应线圈引出电极。石墨坩埚的外侧依次设置有隔热层、感应线圈。熔炼时，升降系统升起石墨坩埚至感应线圈高度。
感应线圈为铜管结构，铜管里有冷却循环水。冷却循环水连接至炉体外侧的循环泵、水箱。冷却循环水为去离子水。
炉体内侧还设置有挡板机构，用于吸附熔炼过程中产生的杂质气体。所述挡板机构为可以开合的挡板结构。
真空泵包括分子泵、机械泵，真空管道组件的下端依次连接分子泵、机械泵。
所述用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉还在真空管道组件靠近炉体一侧设置有充气装置，用于向炉体中充入惰性气体，所述惰性气体为氩气或氦气。
所述充气装置包括流量计，流量计的一端设置在真空管道组件上，另一端连接有气瓶。气瓶中的气体为氩气或氦气。
真空系统还包括压力表、真空规。充气装置的右侧依次为两个真空规、一个压力表。
石墨坩埚采用进口等静压高纯石墨。石墨坩埚表面喷涂高性能涂层。
所述炉体在左上部开设有窥视窗。
使用上述用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉的铸造方法，包括以下步骤：
1)装料：按照合金组成配比进行称量和混料，然后装入表面喷涂高性能涂层的石墨坩埚，坩埚升降系统将坩埚沉入熔炼位置，所述熔炼位置为感应线圈的中心位置。
2)抽真空：炉门关闭密封，抽真空，使炉内真空度达到10-3Pa。
3)加热熔融：启动感应加热系统对石英模具和石墨坩埚进行加热，加热到1400℃～1500℃，保温50～60min。
3)铸锭：石墨坩埚中的装料熔化成熔体后，提升石墨坩埚使悬挂在石墨坩埚上部的石英模具的开口端插入熔体。同时启动充气装置将0.2～0.8MPa高压氦气或氩气通入炉内，将熔融合金压入上部的石英模具。
4)开炉取锭：在达到液相线温度时降下坩埚。冷却后取出石英铸模得到铸件。
本发明所取得的有益效果为：
1)通过调压铸造炉，可以铸成均匀无偏析的小直径(直径4-10mm)棒状(长300-800mm)高致密度合金铸件，炉体可用于三元合金、高熔点活泼金属的铸造。可为小直径棒状铸件的冶炼提供更有利的技术和设备方案。
2)本发明专门用于铸造高致密度、均匀无宏观偏析的小直径棒状材料的调压铸造，适用于易氧化的活泼金属。
3)解决了重力铸造小直径棒状铸件时的缩孔等缺陷问题。
附图说明
图1为用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉的主视图；
图2为铸造方法流程图。
图中：1：电阻保温套；2：窥视窗；3：石英模具；4：挡板机构；5：感应线圈；6：隔热层；7：感应线圈引出电极；8：保温电极；9：充气装置；10：真空管道组件；11：真空系统；12：分子泵；13：机械泵；14：压力表；15：真空规；16：过滤器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，包括炉体、感应加热系统、真空系统11。所述炉体中放置有石墨坩埚、石英模具3组件，石英模具3组件位于石墨坩埚上方，炉体通过密封件实现密封。真空系统11包括真空管道组件10、真空泵；炉体通过真空管道组件10和真空泵连接。
所述石英模具3组件为若干个并列设置的石英模具3，石英模具3组件的对称轴处设置有搅拌棒。石英模具3的外围设置有电阻保温套1，具有电阻加热功能。
所述用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉还设置有测温系统，所述测温系统包括两个热电偶、温度显示仪。
B型热电偶一端连接石英模具3，另一端连接温度显示仪。温度显示仪通过数据线将温度数据反馈给电阻保温套1。电阻保温套1的外侧设置有保温电极8。
K型热电偶的一端连接石墨坩埚，另一端连接坩埚温度显示仪。
所述用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉还在石墨坩埚的下方设置有升降系统，用于调节石墨坩埚的高度。升降系统通过动密封连接于炉体下部。
所述感应加热系统包括感应线圈5、隔热层6、感应线圈5引出电极7。石墨坩埚的外侧依次设置有隔热层6、感应线圈5。熔炼时，升降系统升起石墨坩埚至感应线圈5高度。
感应线圈5为铜管结构，铜管里有冷却循环水。冷却循环水连接至炉体外侧的循环泵、水箱。冷却循环水为去离子水。
炉体内侧还设置有挡板机构4，用于吸附熔炼过程中产生的杂质气体。
真空泵包括分子泵12、机械泵13，真空管道组件10的下端依次连接分子泵12、机械泵13。
所述用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉还在真空管道组件10靠近炉体一侧设置有充气装置9，用于向炉体中充入惰性气体，所述惰性气体为氩气或氦气。
所述充气装置9包括流量计，流量计的一端设置在真空管道组件10上，另一端连接有气瓶。气瓶中的气体为氩气或氦气。
真空系统11还包括压力表14、真空规15。充气装置9的右侧依次为两个真空规15、一个压力表14。
石墨坩埚采用进口等静压高纯石墨。石墨坩埚表面喷涂高性能涂层。
使用上述用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉的铸造均匀无偏析棒材方法，包括以下步骤：
1)装料：按照合金组成配比进行称量和混料，然后装入表面喷涂高性能涂层的石墨坩埚，坩埚升降系统将坩埚沉入熔炼位置，所述熔炼位置为感应线圈5的中心位置。
2)抽真空：炉门关闭密封，抽真空，使炉内真空度达到10-3Pa。
3)加热熔融：启动感应加热系统对石英模具3和石墨坩埚进行加热，加热到1400℃～1500℃，保温50～60min。
3)铸锭：石墨坩埚中的装料熔化成熔体后，提升石墨坩埚使悬挂在石墨坩埚上部的石英模具3的开口端插入熔体。同时启动充气装置9将0.2～0.8MPa高压氦气或氩气通入炉内，将熔融合金压入上部的石英模具3。
4)开炉取锭：在达到液相线温度时降下坩埚。冷却后取出石英铸模得到铸件。
实施例一
以下列参数的三元合金为例，密度：15.8g/cm3；导热系数：0.22W/cm·℃；热膨胀系数：2.0×10-5℃-1；熔点：1200℃。
(1)先按照合金组成配比(按质量分数)进行称量和混料；
(2)物料按照冶炼有利顺序在涂层石墨坩埚中布料；
(3)坩埚归下限位，沉入底座；
(4)安装完好K型热偶、B型热偶；
(5)石英模具检查及组装(严禁用手触摸内表面)；
(6)装炉，确定密封圈无污物，盖上挡板，拧上端盖，检查并连接提拉机构；检查冷却水；
(7)合炉，抽真空，抽真空至10-1Pa量级时启动分子泵；
(8)真空度达到5×10-3Pa以上开始送电升温，开启感应加热；
(9)温度升高至1100℃时，开启石英模具预热(预热温度为800℃)；
(10)熔炼温度到达1450℃时，关闭抽真空系统，控制压力控制系统进行充氩，使压力在3.58s内上升至0.25MPa；
(11)熔融合金便即时压入模具，在达到三元合金液相线温度时降下坩埚；
(12)冷却水循环，直到炉内温度到达室温；
(13)取出石英铸模，用气动冲把石英铸模击碎，除去石英模即得到棒状三元合金铸件。
本发明所取得的有益效果为：
1)通过调压铸造炉，可以铸成均匀无偏析的小直径(直径4-10mm)棒状(长300-800mm)高致密度合金铸件，炉体可用于三元合金、高熔点活泼金属的铸造。可为小直径棒状铸件的冶炼提供更有利的技术和设备方案。
2)本发明专门用于铸造高致密度、均匀无宏观偏析的小直径棒状材料的调压铸造，适用于易氧化的活泼金属。
3)解决了重力铸造小直径棒状铸件时的缩孔等缺陷问题。

Claims (11)

1.一种用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，其特征在于：包括炉体、感应加热系统、真空系统；所述炉体中放置有石墨坩埚、石英模具组件，石英模具组件位于石墨坩埚上方；炉体通过密封件实现密封；真空系统包括真空管道组件、真空泵；炉体通过真空管道组件和真空泵连接。
2.如权利要求1所述的用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，其特征在于：所述用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉还设置有搅拌棒、电阻保温套、保温电极；石英模具组件为若干个并列设置的石英模具，石英模具组件的对称轴处设置有搅拌棒；石英模具的外围设置有电阻保温套，具有电阻加热功能；电阻保温套的外侧设置有保温电极。
3.如权利要求2所述的用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，其特征在于：所述用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉还设置有测温系统，所述测温系统包括温度显示仪、坩埚温度显示仪、B型热电偶、K型热电偶；B型热电偶一端连接石英模具，另一端连接温度显示仪；K型热电偶的一端连接石墨坩埚，另一端连接坩埚温度显示仪。
4.如权利要求3所述的用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，其特征在于：所述用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉还在石墨坩埚的下方设置有升降系统，用于调节石墨坩埚的高度。
5.如权利要求4所述的用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，其特征在于：所述感应加热系统包括感应线圈、隔热层、感应线圈引出电极；石墨坩埚的外侧依次设置有隔热层、感应线圈；所述感应线圈为铜管结构，铜管里设置有冷却循环水；冷却循环水为去离子水。
6.如权利要求5所述的用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，其特征在于：所述炉体内侧还在感应线圈左部设置有挡板机构，用于吸附熔炼过程中产生的杂质气体，所述挡板机构为可以开合的挡板结构。
7.如权利要求6所述的用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，其特征在于：所述真空泵包括分子泵、机械泵，真空管道组件的下端依次连接分子泵、机械泵；所述真空系统还包括压力表、真空规；真空管道组件靠近最右侧依次设置一个压力表、两个真空规。
8.如权利要求7所述的用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，其特征在于：所述用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉还在真空管道组件靠近炉体一侧设置有充气装置，充气装置包括流量计，流量计的一端设置在真空管道组件上，另一端连接有气瓶；气瓶中的气体为氩气或氦气。
9.如权利要求8所述的用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，其特征在于：所述炉体在左上部开设有窥视窗。
10.如权利要求1或9所述的用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉，其特征在于：所述石墨坩埚采用进口等静压高纯石墨，石墨坩埚表面喷涂高性能涂层。
11.一种使用如权利要求10所述的用于铸造均匀无偏析棒材的调压铸造炉的铸造方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)装料：按照合金组成配比进行称量和混料，然后装入表面喷涂高性能涂层的石墨坩埚，坩埚升降系统将坩埚沉入熔炼位置，所述熔炼位置为感应线圈的中心位置；
2)抽真空：炉门关闭密封，抽真空，使炉内真空度达到10-3Pa；
3)加热熔融：启动感应加热系统对石英模具和石墨坩埚进行加热，加热到1400℃～1500℃，保温50～60min；
3)铸锭：石墨坩埚中的装料熔化成熔体后，提升石墨坩埚使悬挂在石墨坩埚上部的石英模具的开口端插入熔体；同时启动充气装置将0.2～0.8MPa高压氦气或氩气通入炉内，将熔融合金压入上部的石英模具；
4)开炉取锭：在达到液相线温度时降下坩埚；冷却后取出石英铸模得到铸件。
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