CN212253620U

CN212253620U - 一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统

Info

Publication number: CN212253620U
Application number: CN202020127996.3U
Authority: CN
Inventors: 燕青芝; 曹正宇; 洪志远; 张晓新
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2030-01-20

Abstract

本实用新型一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统，该系统包括自动供料装置、加热熔炼装置、多坩埚实验平台、真空及气氛装置和PLC控制装置，该系统通过自动供料装置上的棒料在PLC控制下进入电极感应熔炼线圈进行预熔炼，并按照预先设定的添加量给转动到下方的原料坩埚进行供料，置于平台上的坩埚在坩埚升降机构的作用下进入电磁感应熔炼线圈进行精炼合金化及后续热处理，待坩埚完成合金配置和熔炼后，可以得到一批同实验条件下的多成分、多尺度、轻量型铸锭，从而实现金属材料试样的高通量制备。本实用新型装置工序便捷，结构简单，在同一设备上实现了母料定量配置、熔炼、合金化等多道工序，连续性作业，可高通量连续熔铸金属样品。

Description

一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统

技术领域

本实用新型属于金属材料制备领域，涉及一种高通量连续熔炼制备金属材料的新装置及技术。通过该装置及技术可以在极短的时间内快速大量地制备不同合金成分的金属合金材料；同时通过该装置及技术制备得到的金属材料无论在尺寸还是质量上都能满足后续热加工、热处理及性能检测。

背景技术

开发新型金属材料的主要方向就是成分的设计和优化。通过少量合金元素匹配大幅度提高材料性能的微合金化技术，在提高材料性能的同时又不显著提升原料和工艺成本，是开发新型金属材料的首选技术。一直以来，新材料的研发遵循着迭代循环与试错的研发模式，改变一个成分就要经全流程的工艺过程，研发投入周期长、成本高，严重制约了新材料的开发和应用。因此，革新材料的研发模式，加速材料从研究到应用的进程势在必行。材料基因工程提出了变革性的新材料研发模式。

“材料基因工程”计划是以大数据作为支撑，采用高通量设计、制备和表征技术，促使材料研究从传统的试错模式转向低成本、快速响应的新模式，从而加快新材料的研发速度，实现研发成本和周期“双减半”的目标。

“材料高通量制备”是指在短时间内完成大量样品的制备，以期待将传统材料研究的迭代试错转变为并行处理的研究模式，以量变引起效率的质变。经过近10年的探索发展，扩散多元节法、“喷印”合成法、选择性激光熔覆以及磁控溅射等技术也被广泛应用于二维金属材料(如薄膜、涂层的高通量制备。但对于块材材料的高通量制备技术却报道寥寥。

近期公开的中国发明专利CN109211655，公开了一种高通量且连续快速制备合金样品的系统及方法，该装置具有自动配料系统和取样系统、连续转动系统，加热熔炼装置，基于上述四个系统构建了一种半封闭式的连续熔炼技术，实现Al、Mg等合金材料的高效率制备，单个样品的质量≦100g。中国发明专利CN105903931，公开了一种阵列式块体非晶合金的高通量制备装置及方法，详细描述该设备和技术方法，解决了传统装置一次只能制备一个样品的问题,可同时制备出10多种非晶块体材料,大幅度的降低了非晶合金制备的成本以及提升了非晶合金制备效率。

金属材料的制备流程通常包括熔铸-锻造-轧制-热处理-性能分析，制备样品需要具备一定尺寸才能够进行加工处理。熔铸是制备金属材料的第一步，其洁净化和均匀化程度直接决定了钢的后期热机械加工、热处理和材料性能。洁净化冶炼是提高金属材料性能的前提。合金钢、高温合金、钛合金等金属材料，要求高真空气氛熔炼、严格控制氧含量。虽然真空冶炼技术已经成熟，但如何实现真空气氛下的高通量制备面临极大的计算和装备上的挑战，尚未发现有相关报道。特别是冶炼的金属铸锭需要通过锻造轧制等热加工和热处理，才能获得材料性能，因此单个样品必须具备一定大的质量和尺寸，才能实现锻造轧制。如何实现大尺寸样品的高通量制备是装置和技术面临的有一个难题。

发明内容

本实用新型提供了一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统和技术，通过电极感应熔化、高通量旋转坩埚的浇注、合金化精炼、感应加热热处理，实现不同微合金成分材料的高通量制备。全部熔化、浇注和热处理均可在真空腔室内完成，保证了金属材料中氧含量的控制和洁净化。

本实用新型技术方案如下：一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统，所述包括自动供料装置、坩埚、加热熔炼装置、多坩埚实验平台、真空及气氛装置和PLC控制装置；

其中，所述坩埚设置在所述加热熔炼装置内部的真空熔炼腔室内，置于所述多坩埚实验平台上，所述自动供料装置设置在所述坩埚的上方，所述真空及气氛装置通过管道所述真空熔炼腔室联通；

所述PLC控制装置分别与所述自动供料装置、加热熔炼装置、多坩埚实验平台和真空及气氛装置控制连接，以实现协同运转。

进一步，所述真空熔炼腔室侧方设有与真空系统连接的开口和观察视窗；所述熔炼腔室上方设有手孔窗口。

进一步，所述真空熔炼腔室的材质为304材质；所述真空熔炼腔室为双层水冷真空室。

进一步，所述自动供料装置包括旋转电机、升降电机、平移导轨、移动平台、支撑架、材料补给操作仓、母料供给杆和重量传感器；

其中，所述支撑架置于材料补给操作仓的上部，所述材料补给操作仓置于所述坩埚的上部；

所述平移导轨置于在支撑架内部，且所述平移导轨的一端与所述移动平台连接，所述旋转电机和升降电机均设置于所述移动平台上；所述移动平台与母料供给杆连接，所诉重量传感器置于母料供给杆的底端。

进一步，所述的加热熔炼装置包括料棒、真空熔炼腔室、电极感应熔炼装置、电磁感应加热装置和高频电源；

其中，所述料棒竖直置于材料补给操作仓内；所述料棒上部与母料供给杆上的重量传感器连接；

所述电极感应熔炼装置和电磁感应加热装置置于熔炼腔室内部，并与置于熔炼腔室外部的高频电源连接；

所述熔炼腔室与材料补给操作仓的下部密封连接；

进一步，所述电极感应熔炼装置为电极感应熔炼线圈，所述电极感应熔炼线圈为螺旋形，线圈顶部直径D_x1、底部直径为D_x2。

进一步，所述电磁感应加热装置包括升降电机、坩埚升降杆、坩埚托盘和电磁感应加热线圈；

其中，所述升降电机置于坩埚升降杆的下部并与坩埚升降杆连接；所述坩埚升降杆顶部与坩埚托盘连接；所述电极感应熔炼线圈置于料棒的下部与多坩埚平台的上方之间；所述坩埚升降杆、坩埚、电磁感应加热线圈三者同轴，所述电磁加热线圈不少于1个，

进一步，所述电磁感应加热线圈为圆柱形，线圈直径为D_x3。

进一步，所述多坩埚平台与坩埚升降杆之间具有互锁设计，用于实现实验平台转动动作和坩埚升降动作的互锁，避免损坏设备。

进一步，所述的料棒直径D_b< D_x1，棒材长度为50mm~800mm；所述的坩埚直径D_g<D_x3。

本实用新型中所述电极感应熔炼装置是基于EIGA系统基础上设计的，基于垂直定向旋转电极料棒，通过使用对于特殊设计的螺旋形感应线圈的控制，电极料棒在没有陶瓷坩埚的惰性气体环境中连续熔化，实现金属原料的熔炼。所述电磁感应加热装置是基于电磁感应加热原理，即交变的电流在导体中产生感应电流，从而导致导体金属发热，同时交变电流在导体内引起的交变磁场，产生电磁搅拌力对熔融金属进行搅拌，从而实现合金化的精炼。通过对母料进行电极感应预熔炼，形成的金属液流入坩埚内，与坩埚内的合金元素粉料事先混合，再通过电磁感应合金化精炼，制备合金铸锭，这种冶炼方式可以大大提升金加热以及熔炼效率，而且样品质量稳定性高，与此同时，合金化后的金属样品再经电磁感应加热装置进行加热，进行均匀化等热处理，实现金属样品的高通量制备。

与现有技术相比，本实用新型的积极进步效果在于：

一、本实用新型可实现高效批量化制备多种成分的合金铸锭，显著提高样品的制备效率；

二、本实用新型可模拟冶炼实况，实现配料-预熔炼定量补料-精炼合金化-凝固成锭、高通量且连续快速制备合金样品；装置机械化程度高、新颖高效、可控性强、安全性高；

三、本实用新型中两种熔炼系统既能协同使用又可独立运行，增加了实际应用的可选择性。

四、本实用新型多坩埚平台通过增加坩埚工位可实现增加单批次样品的数量。

五、多个电磁加热线圈的存在，可以满足一次精炼和热处理多个样品，实现高通量的熔炼合金化和热处理过程。

六、本实用新型所制备的单体样品尺寸可控性强，即可制备小型样品，与传统单炉冶炼所制备的合金样品相比，用料量可控且消耗量显著减小，也可制备500g以上的样品，用于后续的热机械处理及性能的研究。

附图说明

图1为本实用新型一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统的主视图。

图2为本实用新型一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统的侧视图。

图3本实用新型一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统的俯视图。

图4为本实用新型一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统的自动送料系统结构示意图。

图5为本实用新型一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统的电极感应熔炼装置结构示意图及原理图。

图6 为本实用新型一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统及方法的电磁感应熔炼系统结构示意图。

图中：

1-自动供料装置，101-步进电机，1011-旋转电机，1012-升降电机，102-平移导轨，103-支撑架，104-材料补给操作仓，105-母料供给杆，106-重量传感器，107-移动平台；2-加热熔炼装置，201-熔炼腔室，202-高频电源，203-观察视窗，204-手孔窗口；3-多坩埚实验平台，301-步进电机旋转电机，302-转动轴，303-多坩埚平台，304-坩埚，305-坩埚工位；4-真空&气氛系统，401-复合分子泵，402-机械泵，403-进排气口；5-电极感应熔炼装置，501-料棒，502-电极感应线圈；6-电磁感应加热装置，601-步进电机升降电机，602-坩埚升降杆，603-坩埚托盘，604-电磁感应加热线圈；7-PLC控制装置。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1-图3所示，本实用新型一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统，所述系统包括自动供料装置、坩埚、加热熔炼装置、多坩埚实验平台、真空及气氛装置和PLC控制装置；

所述真空熔炼腔室侧方设有与真空系统连接的开口和观察视窗；所述熔炼腔室上方设有手孔窗口。

所述真空熔炼腔室的材质为304材质；所述真空熔炼腔室为双层水冷真空室。

所述自动供料装置1包括旋转电机1011、升降电机1012、平移导轨102、移动平台107、支撑架103、材料补给操作仓104、母料供给杆105和重量传感器106；

其中，所述支撑架103置于材料补给操作仓104的上部，所述材料补给操作仓104置于所述熔炼系统2的上部；

所述平移导轨102置于在支撑架103内部，且所述平移导轨102的一端与所述移动平台107连接，所述旋转1011和升降电机1012均设置于所述移动平台107上；所述移动平台107与母料供给杆105连接，所诉重量传感器106置于母料供给杆105的底端，图4所示。

所述的加热熔炼装置2包括真空熔炼腔室201、电极感应熔炼装置5、电磁感应加热装置6和高频电源202；

其中，所述电极感应熔炼装置5和电磁感应加热装置6置于熔炼腔室201内部，并与置于熔炼腔室201外部的高频电源202连接；

所述熔炼腔室201与材料补给操作仓104的下部密封连接；所述熔炼腔室201侧方设有与真空系统连接的开口和观察视窗203；所述熔炼腔室上方设有手孔窗口204。

所述多坩埚实验平台3包括旋转电机301、转动轴302、圆型多坩埚平台303、坩埚304和坩埚工位305；

其中，所述圆型多坩埚平台303中心置于电极感应熔炼装置5的下方的所述熔炼腔室201内部，与转动轴302传动连接；所述转动轴302与旋转电机301连接；

所述坩埚304置于坩埚工位305上；所述坩埚工位305环绕在多坩埚平台303上。

所述坩埚工位305数量不少于4个；

所述熔炼腔室201和多坩埚平台303采用的是304材质，熔炼腔室201为双层水冷真空室，多坩埚平台303的坩埚工位305上置有耐高温陶瓷卡位。

所述真空及气氛装置4包括第一级真空机组、第二级真空机组和进排气口403：

其中，所述第一级真空机组和第二级真空机组均置于熔炼腔室201的外部，所述进排气口403置于材料补给操作仓104两侧；

所述第一级真空机组和第二级真空机组均由风冷复合分子泵401和直连机械泵402组成。

所述电极感应熔炼装置5包括料棒501和电极感应熔炼线圈502；

其中，所述料棒501竖直置于材料补给操作仓104内；所述料棒501上部与母料供给杆105上的重量传感器106连接，所述电极感应熔炼线圈502置于料棒501的下部，置于多坩埚平台303的上部；所述料棒501、电极熔炼线圈(502、坩埚(304三者同轴，如图5所示；

所述电磁感应加热装置6包括升降电机601、坩埚升降杆602、坩埚托盘(603和电磁感应加热线圈604；

其中，所述升降电机601置于坩埚升降杆602的下部并与坩埚升降杆602连接；所述坩埚升降杆602顶部与坩埚托盘603连接；所述电磁加热线圈604置于多坩埚平台303的上方；所述坩埚升降杆602、坩埚304、电磁感应加热线圈604三者同轴，所述电磁加热线圈604不少于1个，如图6所示。

本实用新型工作原理是：根据实验需求，在一定数量的坩埚304内放入事先设计好配比的微合金粉末，随后坩埚304进行编号并分别固定在多坩埚平台303的工位305上；

依据设计的实验条件，通过PLC控制装置7控制真空机组，风冷复合分子泵401和直连机械泵402，以及将进排气口403联通高压氩气瓶，实现实验腔体内部真空&气氛环境；

通过PLC控制装置7控制，多坩埚平台303上逆时针转动，使配好料的坩埚304依次转动到电极感应熔炼装置5下方，与此同时，母料供给杆105旋转并下移，使杆上所持料棒501顶端进入电极感应熔炼线圈502;

通过PLC控制装置7控制电源202功率，电极感应熔炼线圈502通电，料棒501开始熔化成液态汇集到母材锥尖位置，随着液态金属的汇集，逐渐形成液流，流到坩埚304，钢液与微合金元素在坩埚304内混溶。通过重量传感器106反馈，完成母料定量控制；

待电极感应熔炼装置5完成母料的定量配置后，所述PLC控制装置7再次控制电磁感应加热装置6，坩埚升降杆602在指令下完成举升动作，把平台上的坩埚304全部送入电磁感应加热线圈604内部；

通过PLC控制装置7控制电源202功率，电磁感应加热线圈604通电，开始合金的熔炼，熔炼完成后，便可获得实验铸锭，从而可以得到一批同实验条件下的多成分、轻量型铸锭，再依据实验要求，通过电磁感应加热线圈再加热，进行均匀化热处理工艺，达到金属材料试样的高通量制备。

所述熔炼系统的电极感应熔炼线圈502为螺旋形，线圈顶部直径Dx1、底部直径为Dx2,电磁感应加热线圈604为圆柱形，线圈直径为Dx3。

所述的料棒501直径Db< Dx1，棒材长度为50mm~800mm；所述的坩埚304直径Dg<Dx3。

以上对本申请实施例所提供的一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims

1.一种真空感应连续熔铸高通量制备金属材料的系统，其特征在于，所述系统包括自动供料装置、坩埚、加热熔炼装置、多坩埚实验平台、真空及气氛装置和PLC控制装置；

其中，所述坩埚设置在所述加热熔炼装置内部的所述多坩埚实验平台上，所述自动供料装置设置在所述坩埚的上方，真空及气氛装置通过管道与真空熔炼腔室联通；

所述PLC控制装置分别与所述自动供料装置、加热熔炼装置、多坩埚实验平台和真空及气氛装置控制连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述熔炼腔室侧方设有与真空系统连接的开口和观察视窗；所述熔炼腔室上方设有手孔窗口。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述熔炼腔室的材质为304不锈钢；所述熔炼腔室为双层水冷真空室。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自动供料装置包括旋转电机、升降电机、平移导轨、移动平台、支撑架、材料补给操作仓、母料供给杆和重量传感器；

所述平移导轨置于在支撑架内部，且所述平移导轨的一端与所述移动平台连接，所述旋转电机和升降电机均设置于所述移动平台上；所述移动平台与母料供给杆连接，所述重量传感器置于母料供给杆的底端。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的加热熔炼装置包括料棒、真空熔炼腔室、电极感应熔炼装置、电磁感应加热装置和高频电源；

所述熔炼腔室与材料补给操作仓的下部密封连接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电极感应熔炼装置为电极感应熔炼线圈，所述电极感应熔炼线圈为螺旋形，线圈顶部直径D_x1、底部直径为D_x2。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电磁感应加热装置包括升降电机、坩埚升降杆、坩埚托盘和电磁感应加热线圈；

其中，所述升降电机置于坩埚升降杆的下部并与坩埚升降杆连接；所述坩埚升降杆顶部与坩埚托盘连接；所述电磁感应加热线圈置于料棒的下部与多坩埚平台的上方之间；所述坩埚升降杆、坩埚、电磁感应加热线圈三者同轴，所述电磁感应加热线圈不少于1个。