CN114734031B - 真空感应炉浇注流槽及真空感应熔炼的浇注方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属冶炼技术领域，具体公开了一种真空感应炉浇注流槽及真空感应熔炼的浇注方法，旨在解决现有的真空感应炉浇注流槽对于20μm以下的夹杂物颗粒上浮去除率较低的问题。该真空感应炉浇注流槽通过在槽腔内更为合理地设置挡渣墙和挡渣坝，能够形成有效的挡渣结构，在保证不会影响熔体开浇温度的前提下，能够有效去除渣及其它夹杂物，数值模拟显示，该真空感应炉浇注流槽对20μm以下的夹杂物颗粒上浮去除率达47％以上。该浇注方法采用上述的真空感应炉浇注流槽进行浇注，并通过有效控制熔体液面高度，能够最大程度提高对20μm以下夹杂物的去除效果。
Description
技术领域
本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种真空感应炉浇注流槽及真空感应熔炼的浇注方法。
背景技术
高温合金是指能够在600℃以上高温条件下承受较大复杂应力并具有表面稳定性的高合金化铁基或镍基、钴基奥氏体金属材料。高温合金不仅广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的热端部件，而且在能源动力、石油化工、冶金矿山等重要领域发挥着不可或缺的重要作用。由于高温合金的服役条件非常复杂，所以对其纯净度、使用性能稳定性等要求非常苛刻。因此，高温合金的各种熔炼工艺都以消除合金大于临界缺陷尺寸的夹杂物提高纯净度为重要目标。
真空感应熔炼(VIM)是高温合金生产过程中应用最为广泛的熔炼工艺。近年来随着真空感应炉的容量不断扩大，真空感应炉的熔炼室与浇注室相互独立开来，浇注过程由流槽将二者衔接。由于流槽是熔体进入铸模凝固前的最后一道工序，因此熔体在流槽内的纯净度直接影响凝固后合金的质量。为了净化流槽中的熔体，现阶段真空感应炉流槽中已普遍设置挡渣墙、挡渣坝等挡渣结构来去除渣及其它夹杂物。如图1所示，现有的真空感应炉浇注流槽，包括流槽本体100，流槽本体100上设有带进液口和出液口的槽腔110，槽腔110的顶部为开口结构，槽腔110的底面为前端高于后端的倾斜面；槽腔110的底面上设置有挡渣坝，挡渣坝的两端分别与槽腔110的左右两个侧壁面相连，且挡渣坝的底部设有过流孔；槽腔110的侧壁上设置有挡渣墙，挡渣墙的两端分别与槽腔110的左右两个侧壁面相连，且挡渣墙与槽腔110的底面之间形成有过流口。
现有的真空感应炉浇注流槽在真空感应炉熔炼过程中能起到普钢连铸中间包的作用。因此，寻找最优化的挡渣墙和挡渣坝设置方案，以达到最大程度去除合金熔体中夹杂物、净化熔体的目的，成为真空感应炉浇注流槽的研究重点。
目前，典型的真空感应炉浇注流槽普遍是将挡渣墙和挡渣坝设置在靠近进液口的位置，再如图1所示，槽腔110的长度为L，挡渣坝的前侧面与槽腔110的前壁面之间的距离为0.27L，挡渣墙的前侧面与挡渣坝的后侧面之间的距离为0.022L。采用数值模拟其夹杂物上浮去除过程，结果显示其对于20μm以下的夹杂物颗粒上浮去除率仅有23％左右。尽管随着夹杂物颗粒的增大，其去除效果有所提升，但20μm以下的夹杂物颗粒是很难通过后续的电渣炉及自耗炉过程去除的，因此20μm以下的夹杂物颗粒的上浮去除是浇注流槽发挥中间包冶金功能净化熔体的重要体现。
发明内容
本发明提供了一种真空感应炉浇注流槽，旨在解决现有的真空感应炉浇注流槽对于20μm以下的夹杂物颗粒上浮去除率较低的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：真空感应炉浇注流槽，包括流槽本体，所述流槽本体上设有带进液口和出液口的槽腔，所述槽腔的顶部为开口结构，所述槽腔的底面为前端高于后端的倾斜面；所述槽腔的底面上设置有挡渣坝，所述挡渣坝的两端分别与槽腔的左右两个侧壁面相连，且挡渣坝的底部设有过流孔；所述槽腔的侧壁上设置有挡渣墙，所述挡渣墙的两端分别与槽腔的左右两个侧壁面相连，且挡渣墙与槽腔的底面之间形成有过流口；所述挡渣坝包括第一挡渣坝、第二挡渣坝和第三挡渣坝，所述第一挡渣坝、第二挡渣坝和第三挡渣坝在槽腔的底面上从前往后依次间隔设置；所述挡渣墙包括第一挡渣墙和第二挡渣墙，所述第一挡渣墙和第二挡渣墙在槽腔的侧壁上从前往后依次间隔设置；所述槽腔的长度为L，所述第二挡渣墙的后侧面与槽腔的后壁面之间的距离为0.15～0.2L，所述第一挡渣墙的后侧面与第二挡渣墙的前侧面之间的距离为0.14～0.16L；所述第一挡渣坝位于第一挡渣墙的前侧，所述第二挡渣坝位于第一挡渣墙与第二挡渣墙之间，且第二挡渣坝的上端高于第一挡渣墙的下端，所述第三挡渣坝位于第二挡渣墙的后侧，且第三挡渣坝的上端高于第二挡渣墙的下端。
进一步的是，所述流槽本体包括装液槽和流道槽，所述装液槽的槽宽大于流道槽的槽宽，且装液槽的后端与流道槽的前端连通。
进一步的是，所述槽腔的前壁面的高度为0.09～0.11L，所述槽腔的后壁面的高度为0.13～0.15L；所述装液槽的槽宽为0.15～0.16L，所述流道槽的槽宽为0.08～0.09L。
进一步的是，所述槽腔的进液口为装液槽的顶部开口，所述槽腔的出液口为开设在流道槽底部的出液孔，所述出液孔与槽腔的后壁面之间的距离为0.08L。
进一步的是，所述第一挡渣坝处于流道槽的前端。
进一步的是，所述过流口的高度为0.011L。
进一步的是，所述第一挡渣坝、第二挡渣坝和第三挡渣坝的高度均为0.02L，宽度均为0.015L；所述第一挡渣墙和第二挡渣墙的宽度均为0.01L。
进一步的是，所述第一挡渣墙的后侧面与第二挡渣坝的前侧面之间的距离为0.02L，所述第二挡渣墙的后侧面与第三挡渣坝的前侧面之间的距离为0.02L。
本发明还提供了一种对于20μm以下的夹杂物颗粒上浮去除效果较好的真空感应熔炼的浇注方法，该方法采用上述的真空感应炉浇注流槽进行浇注。
进一步的是，开浇阶段，将真空感应炉坩埚内的熔体从槽腔的进液口浇入槽腔中，待第一挡渣墙前侧区域液面上升至槽腔高度的2/3后，以稳定的流速浇注熔体使第一挡渣墙前侧区域液面高度维持在槽腔高度的2/3，并等待第一挡渣墙后侧区域液面升至稳定位置，进入稳态浇注阶段；待真空感应炉坩埚内的熔体全部浇出，稳态浇注阶段结束，之后槽腔内的液面逐渐降低，第一挡渣坝、第二挡渣坝和第三挡渣坝前侧阻挡的熔体从各自底部的过流孔流向下游，最终从槽腔的出液口全部流出。
本发明的有益效果是：通过在槽腔内设置第一挡渣墙和第二挡渣墙并有效控制第一挡渣墙和第二挡渣墙的设置部位，使得第一挡渣墙和第二挡渣墙更靠近槽腔的出液口，同时通过在槽腔的底面上从前往后依次间隔设置第一挡渣坝、第二挡渣坝和第三挡渣坝，并使第一挡渣坝位于第一挡渣墙的前侧，第二挡渣坝位于第一挡渣墙和第二挡渣墙之间，且第二挡渣坝的上端高于第一挡渣墙的下端，第三挡渣坝位于第二挡渣墙的后侧，且第三挡渣坝的上端高于第二挡渣墙的下端，如此不仅可以确保熔体在浇注流槽中的平均停留时间与现有大多数方案接近，并没有导致熔体在槽腔内的停留时间延长，因而基本不会产生更多热量损失，不会影响熔体的开浇温度，而且通过第一挡渣坝可避免熔体贴底流动，通过第一挡渣墙与第二挡渣坝构成的第一熔体阻挡结构可以使夹杂物颗粒上浮并去除，通过第二挡渣墙与第三挡渣坝构成的第二熔体阻挡结构可以使夹杂物颗粒再次上浮并去除，去除效果明显，数值模拟显示，该真空感应炉浇注流槽对20μm以下的夹杂物颗粒上浮去除率达47％以上。
附图说明
图1是现有的真空感应炉浇注流槽的实施结构示意图；
图2是本发明中真空感应炉浇注流槽的实施结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图中标记为：流槽本体100、槽腔110、装液槽120、流道槽130、出液孔131、第一挡渣坝211、第二挡渣坝212、第三挡渣坝213、第一挡渣墙221、第二挡渣墙222。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示方位关系的术语，均是以熔体在槽腔110内流动的水平朝向作为后方向，进行确定的。已知后方向，可以确定与后方向相反的方向即为前方向；已知前后方向，可以确定与前后方向水平垂直的方向即为左右方向，与前后方向竖向垂直的方向即为上下方向。术语“内”、“外”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，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
结合图2和图3所示，真空感应炉浇注流槽，包括流槽本体100，所述流槽本体100上设有带进液口和出液口的槽腔110，所述槽腔110的顶部为开口结构，所述槽腔110的底面为前端高于后端的倾斜面；所述槽腔110的底面上设置有挡渣坝，所述挡渣坝的两端分别与槽腔110的左右两个侧壁面相连，且挡渣坝的底部设有过流孔；所述槽腔110的侧壁上设置有挡渣墙，所述挡渣墙的两端分别与槽腔110的左右两个侧壁面相连，且挡渣墙与槽腔110的底面之间形成有过流口；所述挡渣坝包括第一挡渣坝211、第二挡渣坝212和第三挡渣坝213，所述第一挡渣坝211、第二挡渣坝212和第三挡渣坝213在槽腔110的底面上从前往后依次间隔设置；所述挡渣墙包括第一挡渣墙221和第二挡渣墙222，所述第一挡渣墙221和第二挡渣墙222在槽腔110的侧壁上从前往后依次间隔设置；所述槽腔110的长度为L，所述第二挡渣墙222的后侧面与槽腔110的后壁面之间的距离为0.15～0.2L，所述第一挡渣墙221的后侧面与第二挡渣墙222的前侧面之间的距离为0.14～0.16L，优选为0.15L；所述第一挡渣坝211位于第一挡渣墙221的前侧，所述第二挡渣坝212位于第一挡渣墙221与第二挡渣墙222之间，且第二挡渣坝212的上端高于第一挡渣墙221的下端，所述第三挡渣坝213位于第二挡渣墙222的后侧，且第三挡渣坝213的上端高于第二挡渣墙222的下端。
利用该真空感应炉浇注流槽浇注熔体时，熔体从槽腔110的进液口浇入槽腔110，熔体流动至第一挡渣坝211处会被挑起使其流动方向改变至朝上，从而增加夹杂物上浮的概率；然后，熔体流动至第一挡渣墙221处，使得上浮的夹杂物被第一挡渣墙221去除，且由于第一挡渣墙221更靠近槽腔110的出液口，使得夹杂物有更长的上浮距离，因此第一挡渣墙221能够去除更多的夹杂物；再然后，第一次去渣后的熔体通过第一挡渣墙221与槽腔110的底面之间形成的第一过流口继续向槽腔110的出液口流动，流至第二挡渣坝212处时再次被挑起使其流动方向改变至朝上，使夹杂物上浮，接着被第二挡渣墙222进一步去除；再接着，第二次去渣后的熔体通过第二挡渣墙222与槽腔110的底面之间形成的第二过流口继续向槽腔110的出液口流动，流至第三挡渣坝213处时再次被挑起，熔体中难以被挑起上浮的渣则被挡渣坝阻挡去除，最终达到良好的净化效果，数值模拟显示，该真空感应炉浇注流槽对20μm以下的夹杂物颗粒上浮去除率达47％以上，而且所设置挡渣墙和挡渣坝的数量适当，水模实验及数值模拟示踪实验显示，利用该真空感应炉浇注流槽浇注熔体过程中，熔体在浇注流槽中的平均停留时间与现有大多数方案接近，并没有导致熔体在槽腔110内的停留时间延长，因而基本不会产生更多热量损失，不会影响熔体开浇温度。
其中，流槽本体100为该真空感应炉浇注流槽的主体部分，其主要用于熔体的浇注；流槽本体100的外形尺寸与现有的真空感应炉浇注流槽的结构相似，便于安装设置。流槽本体100的结构可以为多种，优选如图3所示，所述流槽本体100包括装液槽120和流道槽130，所述装液槽120的槽宽大于流道槽130的槽宽，且装液槽120的后端与流道槽130的前端连通。槽宽较大的装液槽120主要用于真空感应炉坩埚内的熔体浇入，槽宽较小的流道槽130主要用于使熔体更容易形成稳定流态。
为了保证浇注效果，需要精确控制槽腔110的尺寸，再优选的，所述槽腔110的前壁面的高度为0.09～0.11L，所述槽腔110的后壁面的高度为0.13～0.15L；所述装液槽120的槽宽为0.15～0.16L，所述流道槽130的槽宽为0.08～0.09L。
为了使得槽宽不相等的装液槽120和流道槽130能够有效连通，保证熔体在槽腔110内流动的顺畅性，再如图3所示，所述装液槽120的后端设有呈“八”字形的收口结构，并通过该收口结构与流道槽130的前端连接。一般收口结构尺寸较大的一端与装液槽120的内壁连接，收口结构尺寸较小的一端与流道槽130的前端连接。
具体的，所述槽腔110的进液口为装液槽120的顶部开口，所述槽腔110的出液口为开设在流道槽130底部的出液孔131，所述出液孔131与槽腔110的后壁面之间的距离为0.08L。
槽腔110的底面上设置的挡渣坝主要用于将熔体挑起使其流动方向改变至朝上，从而增加夹杂物上浮的概率，以便去除；挡渣坝不与槽腔110的长度方向平行，为了提高挑流效果，优选将挡渣坝沿槽腔110的宽度方向设置，即挡渣坝与槽腔110的长度方向垂直。第一挡渣坝211通常靠近槽腔110的前壁面设置，避免浇入的熔体贴底流动，以增加夹杂物上浮的可能；第一挡渣坝211的设置位置与现有大多数浇注流槽的第一挡渣坝的位置相同，通常设置在流道槽130的前端。为了达到最佳的挑流效果，优选使第一挡渣坝211的前侧面与槽腔110的前壁面之间的距离为0.27L。第二挡渣坝212和第三挡渣坝213的设置位置通常根据第一挡渣墙221和第二挡渣墙222的位置进行确定。
槽腔110的侧壁上设置的挡渣墙主要用于去除夹杂物，挡渣墙不与槽腔110的长度方向平行，且与槽腔110的底面保持一定的间距以形成过流口，为了兼顾除渣和过流效果，优选将过流口的高度控制为0.011L；为了使得挡渣墙具有良好的除渣效果并避免降低熔体温度，优选将挡渣墙沿槽腔110的宽度方向设置，即挡渣墙与槽腔110的长度方向垂直。
在上述基础上，为了提高除渣效果，需要有效控制第二挡渣坝212和第三挡渣坝213相对于第一挡渣墙221和第二挡渣墙222的位置，优选使第一挡渣墙221的后侧面与第二挡渣坝212的前侧面之间的距离为0.02L，使第二挡渣墙222的后侧面与第三挡渣坝213的前侧面之间的距离为0.02L。如何，可以实现第一挡渣墙221与第二挡渣坝212有效配合进行挑流除渣，以及第二挡渣墙222与第三挡渣坝213有效配合进行挑流除渣，且基本不会造成熔体在槽腔110内的停留时间延长。
为了避免熔体产生更多热量损失，并兼顾除渣效果，再如图2所示，优选使第一挡渣坝211、第二挡渣坝212和第三挡渣坝213的高度均为0.02L，宽度均为0.015L；使第一挡渣墙221和第二挡渣墙222的宽度均为0.01L。
本发明还提供了一种真空感应熔炼的浇注方法，该浇注方法采用上述的真空感应炉浇注流槽进行浇注。
上述浇注方法在开浇阶段，将真空感应炉坩埚内的熔体从槽腔110的进液口浇入槽腔中，待第一挡渣墙221前侧区域液面上升至槽腔110高度的2/3后，以稳定的流速浇注熔体使第一挡渣墙221前侧区域液面高度维持在槽腔110高度的2/3，并等待第一挡渣墙221后侧区域液面升至稳定位置，进入稳态浇注阶段；熔体的流速一般通过控制真空感应炉坩埚的倾斜角度进行控制，稳态浇注阶段应占整个浇注过程的绝大部分时间，以提供稳定的流场促进夹杂物上浮；待真空感应炉坩埚内的熔体全部浇出，稳态浇注阶段结束，之后槽腔110内的液面逐渐降低，第一挡渣坝211、第二挡渣坝212和第三挡渣坝213前侧阻挡的熔体从各自底部的过流孔流向下游，最终从槽腔110的出液口全部流出，渣及其它夹杂物留在槽腔110的底部。真空感应炉坩埚内的熔体通常以流速0.01V～0.3V m3/s浇入，V表示槽腔110的容积。
按本发明提供的浇注方法进行浇注，浇注流槽的挡渣墙和挡渣坝相比现有的浇注流槽，为夹杂物上浮提供了更多的机会，具有更好的夹杂物去除效果。此外，发明人还对比了其它若干种挡渣墙与挡渣坝设置方案，以一面挡渣墙和一个挡渣坝为一组挡渣结构，发现无论是设置一组、两组非本发明位置、三组、四组的挡渣结构，对于20μm以下夹杂物去除率均没有超过47％。因此，本发明提供的真空感应炉浇注流槽是多种挡渣墙和挡渣坝布置方案中的最优方案，数值模拟显示，现有大多数浇注流槽对20μm以下的夹杂物颗粒上浮去除率仅有23％左右，本发明提供的真空感应炉浇注流槽对20μm以下的夹杂物颗粒上浮去除率可达47％以上。夹杂物去除率具有明显的提升；而且，本发明提供的真空感应炉浇注流槽基本不会造成熔体额外的热量损失，不会影响熔体的开浇温度。
Claims (4)
1.真空感应炉浇注流槽，包括流槽本体（100），所述流槽本体（100）上设有带进液口和出液口的槽腔（110），所述槽腔（110）的顶部为开口结构，所述槽腔（110）的底面为前端高于后端的倾斜面；所述槽腔（110）的底面上设置有挡渣坝，所述挡渣坝的两端分别与槽腔（110）的左右两个侧壁面相连，且挡渣坝的底部设有过流孔；所述槽腔（110）的侧壁上设置有挡渣墙，所述挡渣墙的两端分别与槽腔（110）的左右两个侧壁面相连，且挡渣墙与槽腔（110）的底面之间形成有过流口；其特征在于：所述挡渣坝包括第一挡渣坝（211）、第二挡渣坝（212）和第三挡渣坝（213），所述第一挡渣坝（211）、第二挡渣坝（212）和第三挡渣坝（213）在槽腔（110）的底面上从前往后依次间隔设置，以熔体在槽腔（110）内流动的水平朝向作为后方向；所述挡渣墙包括第一挡渣墙（221）和第二挡渣墙（222），所述第一挡渣墙（221）和第二挡渣墙（222）在槽腔（110）的侧壁上从前往后依次间隔设置；所述槽腔（110）的长度为L，所述第二挡渣墙（222）的后侧面与槽腔（110）的后壁面之间的距离为0.15～0.2L，所述第一挡渣墙（221）的后侧面与第二挡渣墙（222）的前侧面之间的距离为0.14～0.16L；所述第一挡渣坝（211）位于第一挡渣墙（221）的前侧，所述第二挡渣坝（212）位于第一挡渣墙（221）与第二挡渣墙（222）之间，且第二挡渣坝（212）的上端高于第一挡渣墙（221）的下端，所述第三挡渣坝（213）位于第二挡渣墙（222）的后侧，且第三挡渣坝（213）的上端高于第二挡渣墙（222）的下端；所述流槽本体（100）包括装液槽（120）和流道槽（130），所述装液槽（120）的槽宽大于流道槽（130）的槽宽，且装液槽（120）的后端与流道槽（130）的前端连通；所述第一挡渣坝（211）的前侧面与槽腔（110）的前壁面之间的距离为0.27L，所述槽腔（110）的前壁面的高度为0.09～0.11L，所述槽腔（110）的后壁面的高度为0.13～0.15L；所述装液槽（120）的槽宽为0.15～0.16L，所述流道槽（130）的槽宽为0.08～0.09L；所述槽腔（110）的进液口为装液槽（120）的顶部开口，所述槽腔（110）的出液口为开设在流道槽（130）底部的出液孔（131），所述出液孔（131）与槽腔（110）的后壁面之间的距离为0.08L；所述过流口的高度为0.011L；所述第一挡渣坝（211）、第二挡渣坝（212）和第三挡渣坝（213）的高度均为0.02L，宽度均为0.015L；所述第一挡渣墙（221）和第二挡渣墙（222）的宽度均为0.01L；所述第一挡渣墙（221）的后侧面与第二挡渣坝（212）的前侧面之间的距离为0.02L，所述第二挡渣墙（222）的后侧面与第三挡渣坝（213）的前侧面之间的距离为0.02L。
2.如权利要求1所述的真空感应炉浇注流槽，其特征在于：所述第一挡渣坝（211）处于流道槽（130）的前端。
3.真空感应熔炼的浇注方法，其特征在于：采用权利要求1或2所述的真空感应炉浇注流槽进行浇注。
4.如权利要求3所述的真空感应熔炼的浇注方法，其特征在于：开浇阶段，将真空感应炉坩埚内的熔体从槽腔（110）的进液口浇入槽腔（110）中，待第一挡渣墙（221）前侧区域液面上升至槽腔（110）高度的2/3后，以稳定的流速浇注熔体使第一挡渣墙（221）前侧区域液面高度维持在槽腔（110）高度的2/3，并等待第一挡渣墙（221）后侧区域液面升至稳定位置，进入稳态浇注阶段；待真空感应炉坩埚内的熔体全部浇出，稳态浇注阶段结束，之后槽腔（110）内的液面逐渐降低，第一挡渣坝（211）、第二挡渣坝（212）和第三挡渣坝（213）前侧阻挡的熔体从各自底部的过流孔流向下游，最终从槽腔（110）的出液口全部流出。
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