CN206316379U - 冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于真空冶金设备领域，尤其涉及一种冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备，包括炉体（1）、高压进气管（11）、雾化仓（12）及真空系统（3）；炉体（1）包括熔炼电极（23）、底注电极（24）、水冷铜坩埚壁（14）、水冷铜坩埚底（16）、熔炼感应线圈（17）、底注感应线圈（18）及喷盘（21）；熔炼感应线圈（17）固定设于水冷铜坩埚壁（14）的外壁；底注感应线圈（18）固定设于水冷铜坩埚底（16）的外壁；喷盘（21）固定置于水冷铜坩埚底（16）的底部；雾化仓（12）位于炉体（1）的下部，且与炉体（1）工作腔相通。本实用新型能耗低，工作效率高，粉末质量好且成分粒径可控，安全性好。

Description

冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备

技术领域

本实用新型属于真空冶金设备领域，尤其涉及一种冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备。

背景技术

感应熔炼技术是一种先进的熔炼手段，它去除了熔炼过程中气氛和加热源对炉料的污染。但一般的真空感应熔炼技术不能防止炉料与坩埚之间的反应，尤其在熔炼活泼金属或高纯度金属时，这种影响非常严重。上世纪末出现了一种更为先进的冷坩埚真空感应熔炼技术。它是一种利用水冷坩埚（主要为纯铜，也有用其它合金）来进行真空感应熔炼的方法。此种方法可以完全排除坩埚对炉料的污染。

冷坩埚感应熔炼装置主要有三种浇铸方式：倾倒铸造(tilt-tapping)技术、底铸(bottom-tapping)技术、悬浮型(lavitation type)冷坩埚的底铸技术。

倾倒铸造技术优点在于结构简单便于实现，问题在于，倾转时熔体同坩埚侧壁的接触面积增大，使凝壳显著长大，铸出的熔体量减少。所以，铸造应尽可能快(通常在3秒钟之内)。此外，铸造一旦中断凝壳便迅速长大，为了恢复铸造需要将坩埚转回原位熔化凝壳，重复多次。

悬浮型冷坩埚的底铸技术的问题在于悬浮很大的熔体质量有困难，目前只有悬浮熔炼5kg的装置，还不能用于工业化的规模。

因此，底铸技术有应用的优势。但其结构和工艺非常复杂。需要进一步的研究。

实用新型内容

本实用新型旨在克服现有技术的不足之处而提供一种结构简单能耗低，工作效率高，粉末质量好且成分粒径可控，安全性好，并可实现多种难熔活泼金属雾化的冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备。

为解决上述技术问题，本实用新型是这样实现的。

冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备，它包括炉体、高压进气管、雾化仓及真空系统；所述真空系统的端口与炉体工作腔相通；所述炉体包括熔炼电极、底注电极、水冷铜坩埚壁、水冷铜坩埚底、熔炼感应线圈、底注感应线圈及喷盘；所述熔炼感应线圈固定设于水冷铜坩埚壁的外壁；所述底注感应线圈固定设于水冷铜坩埚底的外壁；所述喷盘固定置于水冷铜坩埚底的底部；高压低温氩气通过高压进气管进入炉体内的喷盘；所述雾化仓位于炉体的下部，且与炉体工作腔相通；所述熔炼电极及底注电极依次分别与熔炼感应线圈和底注感应线圈相连接。

作为一种优选方案，本实用新型在所述炉体上还设有合金加料机构、安全阀、红外测温机构、热电偶测温机构及爆破排放装置；所述合金加料机构、安全阀、红外测温机构、热电偶测温机构及爆破排放装置的工作端分别与炉体工作腔相通。

进一步地，本实用新型所述炉体可采用双层水冷夹套结构；所述红外测温机构可采用球铰链结构；所述合金加料机构内部可设有多个独立的加料杯,底部设有可摆动的下料流槽。

进一步地，本实用新型所述水冷铜坩埚壁可采用多组带有独立循环水道的铜坩埚瓣拼接而成；所述水冷铜坩埚底可采用带有切缝锥形结构。

进一步地，本实用新型在所述水冷铜坩埚底上设有陶瓷喷管；在所述陶瓷喷管底部设有陶瓷导管；所述陶瓷导管上部端口与陶瓷喷管底口垂直套接，且穿过喷盘。

进一步地，本实用新型所述陶瓷喷管的锥度为60°＜a＜110°。

进一步地，本实用新型所述陶瓷喷管喷口内径范围为10mm＜L＜100mm。

本实用新型结构简单，加工制造与维护成本低，安装方便、安全性好便于设备批量生产，由于采用高压低温氩气作为雾化用气，节省了气源加热成本，并且粉末降温迅速提高工作效率，通常一炉次工作周期小于1.5小时；悬浮力大凝壳少（小于10%）出粉率高且凝壳可重复熔化，不浪费原料；对熔炼原料形状没有严格要求，可在熔炼过程中调入不同合金且搅拌剧烈熔液成分均匀；粉末粒径可通过调整喷嘴直径与进气压力进行调节，粉末球形度高、氧增量低（小于600ppm）；本实用新型还可以满足多种难熔活泼金属的雾化制粉要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。本实用新型的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为本实用新型俯视图。

图3为本实用新型内部视图。

图中：1、炉体；2、炉门；3、真空系统；4、合金加料机构；5、安全阀；6、红外测温机构；7、热电偶测温机构；8、操作平台；9、电源系统；10、爆破排放装置；11、高压进气管；12、雾化仓；13、坩埚壁进回水环；14、水冷铜坩埚壁；15、坩埚底进回水环；16、水冷铜坩埚底；17、熔炼感应线圈；18、底注感应线圈；19、陶瓷喷管；20、陶瓷导管；21、喷盘；22、支撑框架；23、熔炼电极；24、底注电极。

具体实施方式

如图所示，冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备，包括炉体1、高压进气管11、雾化仓12及真空系统3；所述真空系统3的端口与炉体1工作腔相通；所述炉体1包括熔炼电极23、底注电极24、水冷铜坩埚壁14、水冷铜坩埚底16、熔炼感应线圈17、底注感应线圈18及喷盘21；所述熔炼感应线圈17固定设于水冷铜坩埚壁14的外壁；所述底注感应线圈18固定设于水冷铜坩埚底16的外壁；所述喷盘21固定置于水冷铜坩埚底16的底部；高压低温氩气通过高压进气管11进入炉体1内的喷盘21；所述雾化仓12位于炉体1的下部，且与炉体1工作腔相通；所述熔炼电极23及底注电极24依次分别与熔炼感应线圈17和底注感应线圈18相连接。

本实用新型在所述炉体1上还设有合金加料机构4、安全阀5、红外测温机构6、热电偶测温机构7及爆破排放装置10；所述合金加料机构4、安全阀5、红外测温机构6、热电偶测温机构7及爆破排放装置10的工作端分别与炉体1工作腔相通。

本实用新型所述炉体1采用双层水冷夹套结构；所述红外测温机构6采用球铰链结构；所述合金加料机构4内部设有多个独立的加料杯,底部设有可摆动的下料流槽。

本实用新型所述水冷铜坩埚壁14采用多组带有独立循环水道的铜坩埚瓣拼接而成；所述水冷铜坩埚底16采用带有切缝锥形结构。

本实用新型在所述水冷铜坩埚底16上设有陶瓷喷管19；在所述陶瓷喷管19底部设有陶瓷导管20；所述陶瓷导管20上部端口与陶瓷喷管19底口垂直套接，且穿过喷盘21。

本实用新型所述陶瓷喷管19的锥度为60°＜a＜110°。本实用新型所述陶瓷喷管19喷口内径范围为10mm＜L＜100mm。

在具体实际设计时，冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备包括炉体1采用立式哈壳形式，打开炉门2后，内部整体露出便于装取炉料及日常安装维护。系统包括真空系统3、合金加料机构4、安全阀5、红外测温机构6、热电偶测温机构7、爆破排放装置10、高压进气管11及雾化仓12；上述设计单元均与炉体1工作腔相通。炉体1包括坩埚壁进回水环13、水冷铜坩埚壁14、坩埚底进回水环15、水冷铜坩埚底16、熔炼感应线圈17、底注感应线圈18、陶瓷喷管19、陶瓷导管20及喷盘21；上述设计单元安装在支撑框架22上。熔炼电极23和底注电极24通过密封结构分别与炉体内的熔炼感应线圈17和底注感应线圈18相连接，电极外部通过铜排与电源系统9相连接。

本实用新型所述炉体1采用立式哈壳双层水冷夹套结构；所述红外测温机构6采用球铰链结构可实现熔液任意位置的测量并可实现对红外镜头的氩气清扫；同时安装有热电偶测温机构7用来校验红外测温的准确性；所述合金加料机构4内部有多个独立的加料杯底部有可摆动的下料流槽，可实现熔炼过程中多种合金料独立的添加。

本实用新型所述水冷铜坩埚壁14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16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；所述陶瓷喷管19采用氧化钇陶瓷安装在水冷铜坩埚底16内，防止钛液凝壳使埚底的切缝短路，提高熔炼效率；所述陶瓷导管19套在陶瓷喷管20且穿过喷盘21，其作用是保护喷,21并且防止气雾化时横风对液柱造成的影响。

本实用新型所述设备感应熔炼部分由上下两组线圈组成，其上部为熔炼感应线圈17通入中频电流用于熔化物料，其下部为锥形底注感应线圈18通入高频电流用于加热喷嘴使熔液从坩埚底部流出；所述电源系统9将中频感应系统与高频感应系统整合到同一电源柜内，通过熔炼电极23和底注电极24分别与两组线圈相连通。

本实用新型高压低温氩气通过高压进气管11进入环孔形喷盘21雾化，节省了气源加热成本且提高粉末质量缩短工作周期。

本实用新型所述炉体1上设有爆破排放装置10及安全阀5；所述爆破排放装置10及安全阀5的工作端口与炉体1工作腔相通。

本实用新型的水冷铜坩埚壁14与水冷铜坩埚底16采用分体设计，分别拥有独立的循环水系统，水冷铜坩埚壁14由独立循环水道的铜坩埚瓣拼接而成；水冷铜坩埚底16为切缝锥形结构内衬氧化钇陶瓷喷管，由于氧化钇只与金属钛熔液轻微反应，且反应后生成稳定的浸润层阻止反应继续发生，因此氧化钇陶瓷可用作雾化钛粉时的喷管；陶瓷喷管19的锥度和管径与冷坩埚底注是否成功有直接关系。通过试验参见表1所示，可以看出当陶瓷喷管锥度a≤60°时即便功率很大也不能实现铸造，主要原因是因为陶瓷喷管19与埚底的接触表面积(冷却面积)太大，陶瓷喷管19中的固相金属的热量迅速被冷却水带走，无法使其熔化；而当陶瓷喷管锥度a≥110°时也不能实现铸造，主要原因是因为铸造感应圈能覆盖到的固相金属表面太小，因此供应到陶瓷喷管19中的固相金属的热量也太少，固相金属不能被熔化。当陶瓷喷管锥度a等于90°时铸造、中断和恢复所用的时间最短。

表2所示，反映了陶瓷喷管内径对铸造的影响。陶瓷喷管喷口内径范围为10～100mm，陶瓷喷管的角度均为90°。当陶瓷喷管喷口内径为10mm时无法实现铸造，主要原因是因为感应电流产生的电磁力和金属表面张力的作用；当陶瓷喷管喷口内径为100mm时虽然能够铸造成功，但不能中断铸造，主要原因是因为陶瓷喷管喷口内径过大铸造流的流速太大，金属凝壳无法生长，无法堵塞陶瓷喷管实现中断铸造。因此陶瓷喷管的锥度选取90°，喷管管径选取DN25。

氧化钇陶瓷喷管还可以防止钛液凝壳使埚底的切缝短路，提高熔炼效率，参见表2所示，当坩埚底的锥度选取90°，坩埚底内无陶瓷喷管，喷管喷口的内径L≥40 mm时能够底注，当喷管喷口的内径L≤30 mm时不能底注；坩埚底内有陶瓷喷管，喷管喷口的内径L≥20mm时能够底注。由此可以看出安装陶瓷喷管对钛合金底注的影响。

表1。

表2。

表3。

在雾化制粉时炉体内需冲入氩气到微正压，这时喷盘通入高压气体，气体喷出在喷嘴处产生负压区对流出的金属熔液起到引射作用，与此同时炉体内气体也会通过线圈与喷盘的间隙进入喷盘，会对正在流出的金属液柱产生横向气流扰动影响粉末质量，更加严重的会使金属液柱偏斜造成喷盘堵塞或烧毁。使用氧化钇陶瓷导管套在陶瓷喷管下方且穿过喷盘，底注时流出的金属钛液周围有陶瓷导管保护避免了横风的干扰，即使金属液柱偏斜也只会堵在陶瓷导管内,钛液不会流出烧毁喷盘和设备。

本实用新型可以通过改变通入喷盘气体的压力和改变陶瓷喷管端部孔径来获取不同粒径的粉末。经过试验发现当通入喷盘的氩气压力为5MPa，陶瓷喷管端部孔径为DN6时，D50在100μm-150μm之间；通入喷盘的氩气压力不变，陶瓷喷管端部孔径改为DN5时，D50在80μm-100μm之间；提升通入喷盘的氩气压力到6.7MPa，陶瓷喷管端部孔径为DN5时，D50在50μm以下。由于本实用新型采用高压低温氩气作为雾化用气体节省了气源加热成本，平均每秒出粉0.25kg并且粉末降温迅速，雾化完成30分钟后便可取粉，提高了工作效率。

本实用新型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，炉体设置独立的安全阀和大通径的膜片防爆泄压装置。

以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型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，仍然可以对本实用新型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，都在实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备，其特征在于，包括炉体（1）、高压进气管（11）、雾化仓（12）及真空系统（3）；所述真空系统（3）的端口与炉体（1）工作腔相通；所述炉体（1）包括熔炼电极（23）、底注电极（24）、水冷铜坩埚壁（14）、水冷铜坩埚底（16）、熔炼感应线圈（17）、底注感应线圈（18）及喷盘（21）；所述熔炼感应线圈（17）固定设于水冷铜坩埚壁（14）的外壁；所述底注感应线圈（18）固定设于水冷铜坩埚底（16）的外壁；所述喷盘（21）固定置于水冷铜坩埚底（16）的底部；高压低温氩气通过高压进气管（11）进入炉体（1）内的喷盘（21）；所述雾化仓（12）位于炉体（1）的下部，且与炉体（1）工作腔相通；所述熔炼电极（23）及底注电极（24）依次分别与熔炼感应线圈（17）和底注感应线圈（18）相连接。

2.根据权利要求1所述的冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备，其特征在于：在所述炉体（1）上还设有合金加料机构（4）、安全阀（5）、红外测温机构（6）、热电偶测温机构（7）及爆破排放装置（10）；所述合金加料机构（4）、安全阀（5）、红外测温机构（6）、热电偶测温机构（7）及爆破排放装置（10）的工作端分别与炉体（1）工作腔相通。

3.根据权利要求2所述的冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备，其特征在于：所述炉体（1）采用双层水冷夹套结构；所述红外测温机构（6）采用球铰链结构；所述合金加料机构（4）内部设有多个独立的加料杯,底部设有可摆动的下料流槽。

4.根据权利要求3所述的冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备，其特征在于：所述水冷铜坩埚壁（14）采用多组带有独立循环水道的铜坩埚瓣拼接而成；所述水冷铜坩埚底（16）采用带有切缝锥形结构。

5.根据权利要求4所述的冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备，其特征在于：在所述水冷铜坩埚底（16）上设有陶瓷喷管（19）；在所述陶瓷喷管（19）底部设有陶瓷导管（20）；所述陶瓷导管（20）上部端口与陶瓷喷管（19）底口垂直套接，且穿过喷盘（21）。

6.根据权利要求5所述的冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备，其特征在于：所述陶瓷喷管（19）的锥度为60°＜a＜110°。

7.根据权利要求6所述的冷坩埚底注式感应雾化制备钛粉设备，其特征在于：所述陶瓷喷管（19）喷口内径范围为10mm＜L＜100mm。