CN204867366U - 一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，包括炉体、熔炼装置、熔炼室真空抽气系统，铸模室真空抽气系统、熔炼电源装置、水冷系统；所述炉体为立式结构由熔炼室和铸模室焊接一体组成；所述熔炼装置设置于熔炼室的侧壁上；所述熔炼室真空抽气系统与熔炼室无缝连接；所述铸模室真空抽气系统与铸模室无缝连接；所述熔炼电源装置与熔炼装置连接；所述水冷系统与铸模室连接。本实用新型关键结晶部位共设有30多个测温点，温度检测准确，控制温度均匀。炉内为隔热板和循环水冷，降温效果显著而准确。加热线圈可边浇注边水平移动，实现定点浇注，属于国内独创。本实用新型的结晶器水冷结构先进，可满足瞬间大容量热量交换。

Description

一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉

技术领域

本实用新型涉及单晶炉技术领域，主要应用于航空航天和地面燃气涡轮叶片、导向叶片生产；具体是一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉。

背景技术

一、随着航空发动机及工业燃气轮机的发展，要求不断提高涡轮前的进口温度，以增大推力，提高效力，降低油耗。这就对高温合金及工艺提出更高的要求。航空和工业燃气轮机的发展，一直依赖于高温合金性能的提高，同时也推动着高温合金的发展。定向凝固高温合金(包括柱状晶高温合金和单晶高温合金)正是为满足上述要求而研发出的新型高温合金之一。

定向凝固高温合金是在定向凝固技术进步基础上发展起来的。所谓定向就是在真空状态下高温合金熔体在铸型中凝固时，通过一定的控制，生成几乎相互平行的柱状晶或单晶。如果用于航空发动机和工业燃气轮机的叶片，经过定向凝固，其结晶方向与叶片所受应力平行，这时叶片受力或耐温的能力就大大提高。为获得具有单向结晶结构的高温合金叶片，国内外无一不是采用真空感应定向凝固铸造炉进行生产高温合金航空铸造叶片和工业燃气轮机定向凝固叶片。

二、国内外概况及发展趋势

作为一种专门用于生产航空发动机和工业燃气轮机高温合金叶片的真空感应定向凝固铸造炉，国产定向凝固炉一般集中在科研院所的少数几个航空发动机厂，作新机研制叶片试验用，炉型小，功能少，温度梯度少，自动化程度低，操作不便，产品质量的复制性差，很不适应工厂的规模化生产。国家引进和发展的航空发动机和工业燃气轮机，其中的关键热端部件涡轮叶片和导向叶片，几乎全部采用先进的高温合金定向凝固柱状晶叶片和单晶叶片。为满足新机研制和生产的需要，设备大多从国外引进，如德国生产的AID真空感应定向凝固炉，莱宝公司ISP2/Ⅲ-EDS真空感应定向凝固炉；以及奥地利KOPP公司的真空感应炉；俄罗斯的YBHK-8N，LMC真空感应定向凝固炉等。

定向凝固柱状晶叶片和单晶叶片的生产过程控制复杂，周期长。产量低。随着先进航空发动机和工业燃气轮机制造技术的进步，设备少量的引进，必然不能满足生产发展的需要。如果能提供一种多功能高梯度，产品质量重复性好的，适合于工厂规模化生产的国产真空感应定向凝固炉，将会取得显著地社会经济效益。

现代航空发动机和工业燃气轮机涡轮叶片一般采用单晶高温合金，而导向叶片一般采用定向柱状晶或单晶高温合金。真空感应定向凝固铸造炉，根据铸模型壳精铸工艺的区别既可以用来生产高温合金定向凝固柱晶叶片又可以生产单晶叶片。定向凝固是目前工程叶片制备的主要技术，其中主要是水冷结晶快速定向凝固技术(HRS)和液态金属冷却(LME)定向凝固工艺。

实用新型内容

一般的真空感应定向凝固只具备单一功能，且温度梯度小，最高温度低，炉内温度上升速度缓慢，温度检测点少。在后期冷却过程中，温度下降缓慢。

为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉。

为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是：

一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，包括炉体、熔炼装置、熔炼室真空抽气系统，铸模室真空抽气系统、熔炼电源装置、水冷系统；所述炉体为立式结构由熔炼室和铸模室焊接一体组成；所述熔炼装置设置于熔炼室的侧门上；所述熔炼室真空抽气系统与熔炼室无缝连接；所述铸模室真空抽气系统与铸模室无缝连接；所述熔炼电源装置与熔炼装置连接；所述水冷系统与铸模室连接。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型单晶铸造炉实现熔炼浇注的方式：除了传统翻转式坩埚的定向凝固或单晶叶片生产外，还可以进行底注式定向浇注，底注式坩埚浇注所生产的叶片，合金的纯净度高，叶片质量好。合金液中的非金属杂质比重轻，一般浮在液面。浇注最后都集聚在铸件的浇注系统内，因而铸件产品是纯净的，冶金质量是优良的，这一浇注方式也为设备自动化程度的提高提供了条件。

本实用新型的单晶铸造炉既可以水冷结晶快速定向凝固技术(HRS)又可使用液态金属冷却(LMC)定向凝固工艺。目前在工业上成熟应用的大多是HRS工艺，该方法基于Bridgman铸型移出技术，利用辐射挡板来隔离炉子的冷热区，从而有效地提高了温度梯度，HRS定向凝固技术上具有设备结构简单，工艺问道成熟。由于是利用水冷结晶器，冷却效果有限，特别适合制备航空发动机叶片的小型铸件。

2、本实用新型的单晶铸造炉实现液态金属冷却(LMC)方法是通过铸模浸入低熔点液态金属(SN或AL液)其对流换热比真空辐射散热更有效，LMC技术由于叶片零件始终浸在液态金属中，冷却效果比较稳定，温度梯度是HRS技术的几倍，产品质量和生产率将获得极大的提高。由于液态金属冷却(LMC)高梯度定向凝固技术的独特优势，大尺寸工业燃气轮机(IGT)叶片的制备和生产，只有通过液态金属冷却(LMC)高梯度定向凝固技术才能实现。

3、本实用新型的单晶铸造炉中实现高梯度HRS定向凝固技术的设计，用水做冷却剂的HRS定向凝固技术，温度梯度不高，在生产叶片的有效长度内，温度梯度一般平均为30-50℃/cm，本实用新型通过以下三个措施保温炉设置双区感应加热线圈合金液态浇入铸模后，上下两个不同匝数的线圈形成不同的温度场。上区温度保持一般的过热度，在下区很窄的范围内提高合金液的温度，由于接近定向凝固结晶的前沿，因此提高了温度梯度柱状结晶致密，形成高品质叶片。

4、本实用新型的单晶铸造炉中在加热保温器与水冷结晶区之间采用复合式辐射挡板。一种屏蔽热效果甚佳的复合式辐射挡板将合金液的热区与已形成柱状晶或单晶体铸件的热量很快通过水冷炉壁导走。辐射挡板与铸模之间的缝隙，在满足铸模能顺利通过的条件下越小越好，最大限度地发挥复合式挡板的屏蔽作用。

本实用新型的单晶铸造炉中具有特殊结构设计的水冷结晶器和冷却水套。水冷结晶端面支撑底面开口的铸型，浇注合金液后，直接与水冷结晶器接触，结晶器内部经过特殊结构设计，冷却效果有了很大的改善。在辐射挡板下部加了冷却水套，以加强刚凝固金属的冷却，促进散热，可以提高凝固前沿的温度梯度。通过以上的措施，使HRS定向凝固技术的温度梯度达到了70-80℃/cm，铸造定向凝固叶片的长度突破200mm，达到300-400mm。

5、本实用新型的单晶铸造炉中HRS定向凝固技术的自动控制，设备工作过程采用可编程控制器，整个工作过程进行连锁控制，设置触摸屏，通过和PLC、温控表通讯，用视频(画面)显示整个炉子的控制过程，对炉子在触摸屏上进行直接操作。HRS定向凝固技术关键结晶部位共设有30多个测温点，实施对产品的定向凝固过程进行全程监控，以保证产品质量的复制性和品质的提高。

6、本实用新型提供了的单晶铸造炉，既可以用HRS定向凝固技术生产航空发动机定向凝固柱状晶叶片和单晶叶片，也可用LMC定向凝固技术生产大尺寸工业燃气轮机定向凝固柱状晶叶片和单晶叶片，这是一台综合型的真空感应熔炼炉，还可以进行普通等轴晶铸件的真空浇注，具有翻转式坩埚，还有底注式浇注，属于多功能创新的真空感应熔炼铸造炉。

附图说明

图1是本实用新型整体结构主视图。

图2是本实用新型整体结构左视图。

图3是本实用新型整体结构俯视图。

具体实施方式

结合说明书附图1-3及附图标记对本实用新型进一步详细说明。

一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，包括炉体1、熔炼装置4、熔炼室真空抽气系统10，铸模室真空抽气系统11、熔炼电源装置9、水冷系统17；所述炉体1为立式结构由熔炼室2和铸模室3焊接一体组成；熔炼室2和铸模室3之间设有隔离阀6，该隔离阀6采用翻板阀结构；炉体1内壁、外壁及其法兰均为304不锈钢，内壁经过精细抛光，便于清除灰尘。

所述熔炼装置4设置于熔炼室2的侧门上；所述熔炼室真空抽气系统10与熔炼室2无缝连接；所述铸模室真空抽气系统11与铸模室3无缝连接；所述熔炼电源装置9与熔炼装置4连接；所述水冷系统17与铸模室3连接。

熔炼室2为长方形箱体，壁厚12mm，水套距离为35mm，炉体1的熔炼室2上部设有两个多位观察窗20，设有一个转塔，转塔由加料装置7和测温装置8组成；转塔与炉体1的熔炼室2间设有水冷插板阀，还设有一个保温炉盖板19；熔炼室2设有炉门通过铰链与侧壁相连，手动旋转打开，炉门内壁设水冷结构，在炉门上设有方形的熔炼装置4接口；熔炼室2内部安装有保温炉。

铸模室3为U型中通的双层水冷结构；壁厚为10mm，水套夹层为25mm，铸模室3与熔炼室2之间设有翻板阀，铸模室3设有侧开炉门，炉门的下方焊接有一条挡渣板，以防止浇注时飞溅出的金属渣烫伤密封面和胶圈。

熔炼装置4包括感应器、侧板和支架；感应器、侧板和支架采用不锈钢和铜构件制做，支架上设有滑轨、润滑机构及水冷机构，用于坩埚的翻转浇注及水平移动；翻转、移动速度可以调节，感应器的回水口设有温度传感器，检测水温。

熔炼室真空抽气系统10包括通过真空管道连接在一起的一台油增扩泵、两台罗茨泵以及一台滑阀泵，在真空管道上设有6个高真空气动蝶阀；真空管道为304不锈钢材质，设有放气阀、除尘网、真空测量传感器；铸模室真空抽气系统11包括通过真空管道连接在一起的2台罗茨泵和3台滑阀泵；在真空管道上设有7个高真空气动蝶阀。

水冷系统17由冷却水控制箱、管路及应急水转换阀组成；所述控制箱上装有分水器、电接点水温表、电接点压力表、阀门、配水管，冷却水保证感应器、真空机组、炉体的正常运转；管路上设有水压、水流量计及超温保护装置，当冷却水流量过低或者水温过高时应能自动切断中频电源；在紧急停电的情况下用水转换阀自动打开并启动。

熔炼电源装置9采用IGBT晶体管模块中频电源，无逆变失败，中频频率能够随负载情况，在一定范围内自动跟踪，转化效率高。

所述熔炼室2内底板上设有双区加热器13和水冷结晶器14；结晶器14由保温层和石墨感受器组成；双区加热器13因上下线圈的匝数不同而形成不同温度区，加热器13的内径是φ450mm；水冷结晶器14可支承模壳5，模壳5与水冷结晶器直接接触；在加热器13与水冷结晶器14之间安装有辐射挡板；该挡板采用复合式辐射挡板，辐射挡板的圈口尺寸在能满足型壳顺利通过的条件下越小越好；辐射挡板下部设有冷却水套以加快刚凝固金属的冷却，促进散热，可以提高凝固前沿的温度梯度；双区加热器13尺寸是：Φ450mm×650mm；结晶器14尺寸是：φ250mm，φ350mm两个规格。

所述转塔由加料装置7和测温装置8组成；加料装置7采用电动方式自动加料，由铰接机构、导向杆、送料杆、密封组件、夹锭机构组成；中间设有真空插板阀与熔炼室隔离，可实现真空下多次加料；采用方门加料机构，装料方便，采用铰接机构，具有防摆、防砸坩埚的柔性功能；测温装置8通过测温加料室抽气系统12与熔炼室2连接；测温装置8采用热偶测温和红外测温两种测温方式，红外测温采用高性能双比色测温仪测温；热偶测温与加料机构置于一个机构上，在不破坏熔炼室真空度情况下进行精炼过程中测温；测温装置8由滚珠丝杠、导向杆、铂铑热电偶、测温枪、密封组件、减速电机组成；同时电偶升降行程也可进行定期的参数校验。

还包括：充放气系统15和电气控制系统16；充放气系统15能满足真空冷却、破真空、熔炼过程中充氩气的工艺要求，包括气动截止阀、手动截止阀、集气管道；充放气系统15稳定可靠，并能在熔炼过程中，进行更换气动阀门；放气阀侧接有消音器能减少在放气过程中气体与管路摩擦产生的噪音；电气控制系统包括如下步骤：

步骤1)真空检测控制：

将熔炼室2、铸模室3、测温室和加料室分别配真空规管与真空机组连接，实时监测相关部位的真空度。具有各室之间真空压力连锁功能，确保真空隔离阀门动作时各室压力平稳和真空泵组启动；由真空计测量炉内的真空度，测量范围从大气压到极限真空度，真空计输出的开关量及模拟量信号进入PLC和无纸记录仪对真空度信号进行存储，及控制炉子的有关真空的动作。对炉子充气时，由绝对压力变送器测量炉内压力，输出信号同样进入到PLC和无纸记录仪。分压操作时，由带远传输出的转子流量计测量充气流量。

步骤2)工作过程的动作控制：

整个工作过程连锁控制，对炉内真空、温度，回充气体压力，冷却水压力以及误操作具有安全连锁保护及自动处理措施；并配有声、光报警，设备工作可自动、手动运行，并可随时切换；如：⑴真空度不合格，不能加热；⑵水压低，可切断加热电源；⑶超温时，自动关断加热电源等。

步骤3)10.4寸触摸屏，通过和PLC、温控表通讯，用画面显示整个炉子的动作过程，并记录各个动作事件在触摸屏的内存中，可在触摸屏上对炉子的所有动作直接进行操作。在触摸屏上显示炉子温度、压力、真空度、分压操作充气流量、加热电流、加热电压。并可在触摸屏上修改温控表的温度-时间程序、各种控制、事件参数，显示加热工艺曲线；

步骤4)现场过程记录，使用工控机用于加工参数的编辑、记录、设备参数校验功能，配置大容量内存，长期保存数据，采用趋势曲线，棒图，大画面实时值等显示方式，配置的CF卡驱动器，可方便数据的存储和转移。

步骤5)设备浇注轨迹记录功能，并能实现设备按照记录的轨迹自动浇注。

还包括工作平台用于方便在炉前操作和维护及清理设备。

气动系统：由气缸、定压阀、分离器、油雾器、配气管、换向阀等构成,通过电控气动阀完成各气动阀门的开关。

还包括合金加料装置18，由多工位合金加料、加料斗及机械操纵机构等组成，加料仓设有四个仓位安装在炉盖上，加料斗及机械操纵机构安装在炉体侧面，通过观察窗可观察加料斗位置及加料状况，可准确、平稳、完全地实现真空熔炼过程中的多次合金加料。

Claims (10)

1.一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，其特征在于：

包括炉体(1)、熔炼装置(4)、熔炼室真空抽气系统(10)，铸模室真空抽气系统(11)、熔炼电源装置(9)、水冷系统(17)；

所述炉体(1)为立式结构由熔炼室(2)和铸模室(3)焊接一体组成；熔炼室(2)和铸模室(3)之间设有隔离阀(6)；

所述熔炼装置(4)设置于熔炼室(2))的侧壁上；

所述熔炼室真空抽气系统(10)与熔炼室(2)无缝连接；

所述铸模室真空抽气系统(11)与铸模室(3)无缝连接；

所述熔炼电源装置(9)与熔炼装置(4)连接；

所述水冷系统(17)与铸模室(3)连接。

2.根据权利要求1所述的一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，其特征在于：

熔炼室(2)为长方形箱体，壁厚12mm，水套距离为35mm；炉体(1)的熔炼室(2)上部设有两个多位观察窗(20)，设有一个转塔，转塔由加料装置(7)和测温装置(8)组成；转塔与炉体(1)的熔炼室(2)间设有水冷插板阀，还设有一个保温炉盖板(19)；熔炼室(2)设有炉门通过铰链与侧壁相连，手动旋转打开，炉门内壁设水冷结构，在炉门上设有方形的熔炼装置(4)接口；熔炼室(2)内部安装有保温炉。

3.根据权利要求1所述的一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，其特征在于：

铸模室(3)为U型中通的双层水冷结构；壁厚为10mm，水套夹层为25mm；铸模室(3)与熔炼室(2)之间设有翻板阀，铸模室(3)设有侧开炉门，炉门的下方焊接有一条挡渣板，以防止浇注时飞溅出的金属渣烫伤密封面和胶圈。

4.根据权利要求1所述的一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，其特征在于：

熔炼装置(4)包括感应器、侧板和支架；感应器、侧板和支架采用不锈钢和铜构件制做，支架上设有滑轨、润滑机构及水冷机构，感应器的回水口设有温度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，其特征在于：

熔炼室真空抽气系统(10)包括通过真空管道连接在一起的一台油增扩泵、两台罗茨泵以及一台滑阀泵，在真空管道上设有6个高真空气动蝶阀；真空管道为304不锈钢材质，设有放气阀、除尘网、真空测量传感器；

铸模室真空抽气系统(11)包括通过真空管道连接在一起的2台罗茨泵和3台滑阀泵；在真空管道上设有7个高真空气动蝶阀。

6.根据权利要求1所述的一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，其特征在于：

水冷系统(17)由冷却水控制箱、管路及应急水转换阀组成；

所述控制箱上装有分水器、电接点水温表、电接点压力表、阀门、配水管；管路上设有水压、水流量计及超温保护装置。

7.根据权利要求1所述的一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，其特征在于：

熔炼电源装置(9)采用IGBT晶体管模块中频电源。

8.根据权利要求1所述的一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，其特征在于：

所述熔炼室(2)内底板上设有双区加热器(13)和水冷结晶器(14)；

水冷结晶器(14)是水冷的紫铜结构；

双区加热器(13)由两个感应线圈、保温层和石墨感受器组成；因上下线圈的匝数不同而形成不同温度区，双区加热器(13)的内径是φ450mm；

水冷结晶器(14)支承面与模壳直接接触；

在双区加热器(13)与水冷结晶器(14)之间安装有辐射挡板；该挡板采用复合式辐射挡板；

辐射挡板下部设有冷却水套以加快刚凝固金属的冷却；

双区加热器(13)高低总温区高度约为730mm。

9.根据权利要求2所述的一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，其特征在于：

所述转塔由加料装置(7)和测温装置(8)组成；

加料装置(7)采用电动方式自动加料，由铰接机构、导向杆、送料杆、密封组件、夹锭机构组成；加料装置(7)与熔炼室中间设有真空插板阀；采用方门加料机构。

测温装置(8)采用热偶测温和红外测温两种测温方式，红外测温采用高性能双比色测温仪测温；热偶测温与加料机构置于一个机构上；

测温装置(8)由滚珠丝杠、导向杆、铂铑热电偶、测温枪、密封组件、减速电机组成。

10.根据权利要求1所述的一种多功能高梯度真空感应定向凝固单晶铸造炉，其特征在于：

还包括：充放气系统(15)和电气控制系统(16)；

充放气系统(15)包括气动截止阀、手动截止阀、集气管道。