CN212806505U - 一种熔点分级的合金熔炼装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种熔点分级的合金熔炼装置，属于冶金技术装备技术领域，包括真空熔炼室，所述真空熔炼室的内设有上部坩埚和下部坩埚，所述下部坩埚设置在真空熔炼室的底部，所述上部坩埚通过固定件固定在所述下部坩埚的正上方；所述上部坩埚和所述下部坩埚均有包括若干个坩埚瓣，相邻的两个所述坩埚瓣之间设有缝隙，所述上部坩埚底部设有通孔；所述上部坩埚和所述下部坩埚外壁分别设有电磁感应线圈；所述上部坩埚内设有分腔机构，所述分腔机构将所述上部坩埚内分成若干个体积不同的腔室；所述上部坩埚、所述下部坩埚和所述分腔机构均连有水冷系统。本实用新型一次性完成熔点跨度大的金属组元熔炼，省时高效，得到合金组织性能好。

Description

一种熔点分级的合金熔炼装置

技术领域

本实用新型属于冶金技术装备技术领域，尤其涉及一种熔点分级的合金熔炼装置。

背景技术

冷坩埚感应悬浮熔炼技术，是一种利用利用交变电流产生的磁场透过带有缝隙的坩埚来切割熔体，使熔体生成涡流并产生焦耳热来熔炼熔体。此外，由于坩埚壁也会产生感应电流，使整个坩埚壁成为一个磁场聚集器，坩埚壁产生的涡流与熔体表面产生的涡流相近位置流向相反形成斥力，使熔体在熔炼的过程中不与坩埚壁接触，从而实现悬浮态。这种设备实现了熔体与坩埚之间的非接触性，避免了坩埚对熔体尤其像比较活泼的钛合金的污染，从而可以广泛使用在对各类金属熔炼的场合。

本世纪初，随着难融高熵合金的出现，一种合金将包含有多种组元，一般为四个及四个以上的组元，不同组元元素之间的熔点相差较大，例如含有Al和Ta的合金，AlNbTaTiV，其中Al的熔点为930K，沸点为2600K，而Ta的熔点为3290K，所以在Ta熔化的时候，温度已经超过了Al的沸点，造成Al元素的挥发较大，从而使合金各组元的比例不准确。现有的解决方法是使用粉末冶金，或是将熔点高的金属先融化，再将熔化的金属液冲入低熔点金属，但这种方法在现有的单个坩埚的真空冷坩埚感应设备不好实现。

所以综上所述，虽然感应熔炼装置在熔炼合金方面有着自己的优势，但是面对新合金的熔炼，其功能方面还有可以提升的空间。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有是技术中各组元熔点相差较大的合金熔炼过程中操作困难、各组元比例准确性差的技术问题，提供一种操作简单、含有熔点差异大的高熵合金熔炼效率高、品相好的熔点分级的合金熔炼装置。

一种熔点分级的合金熔炼装置，其特征在于，包括真空熔炼室，

所述真空熔炼室的内设有上部坩埚和下部坩埚，所述下部坩埚设置在真空熔炼室的底部，所述上部坩埚通过固定件固定在所述下部坩埚的正上方；

所述上部坩埚和所述下部坩埚均有包括若干个坩埚瓣，相邻的两个所述坩埚瓣之间设有缝隙，所述上部坩埚底部设有通孔；

所述上部坩埚和所述下部坩埚外壁分别设有电磁感应线圈；

所述上部坩埚内设有分腔机构，所述分腔机构将所述上部坩埚内分成若干个体积不同的腔室；

所述上部坩埚、所述下部坩埚和所述分腔机构均连有水冷系统。

不同腔室通过的电磁感应线不同，即磁通量不同，产生的焦耳热不同，使得不同腔室达到的熔融的温度不同，根据不同技术组元的熔点将各组元放至相应的腔室中，从而熔点分级熔炼合金。

优选的，所述坩埚瓣包括坩埚壁瓣和坩埚底瓣，所述坩埚壁瓣的凸台和所述坩埚底瓣的凹槽过盈连接，所述坩埚底瓣的底部通过螺钉固定在石英板上分别围成上部坩埚和下部坩埚，所述上部坩埚上部为圆筒状结构，所述上部坩埚底部的内壁和外壁为圆锥形结构，所述下部坩埚上部及所述下部坩埚底部的外壁均为圆筒状结构，所述下部坩埚底部的内壁为半球状结构。所述上部坩埚底部的内壁和外壁为圆锥形结构，加大了熔炼时对金属的悬浮力，所述下部坩埚底部的内壁为半球状结构，有利于液态金属混合均匀。

优选的，所述分腔机构包括辐射分布的3个挡板，每两个相邻的所述挡板之间的夹角分别为60°、120°和180°，夹角不同使得每两个相邻的所述挡板与上部坩埚壁之间空腔体积不同，通过的电磁感性线不同，实现熔点分级。每两个相邻的所述挡板之间均有缝隙，不阻碍磁场的穿透。

优选的，所述挡板内部设有水腔，所述水腔与双层水冷管连接，所述双层水冷管包括内层水管和外层水管，所述内层水管入口与进水套连通，所述内层水管出口和所述外层水管入口分别与所述水腔连通，所述外层水管出口与出水套连通。

优选的，所述上部坩埚和下部坩埚外壁贴合包裹若干蛇形循环水冷管，所述蛇形循环水冷管进水端与进水集水箱连接，所述蛇形循环水冷管出水端与出水集水箱连接，所述进水集水箱和出水集水箱均为带缺口环形的结构，所述蛇形循环水冷管设置在所述电磁感应线圈内侧。

水冷系统用于防止熔炼过程中各个部件被熔融，分腔机构与上部坩埚和下部坩埚有相互独立的水冷系统，便于更换和维修。

优选的，所述若干蛇形循环水冷管呈拉法尔管状结构分布。拉法尔管状结构为中间细两端宽，若干蛇形循环水冷管围成中间细两端宽的结构，使蛇形循环水冷管不仅有降温的作用，其上部还发挥着对上部坩埚支撑、固定作用。

优选的，所述真空熔炼室底部安装有底座，所述底座内设有用于容纳下部坩埚的取料室，所述取料室与所述真空熔炼室连通，所述底座内还设有升降机构，所述升降机构穿过所述取料室底部与所述下部坩埚底部连接。通过升降机构将下部坩埚上升送至熔炼区，或者下降送至取料室，方便将合金锭成品取出。

优选的所述升降机构包括步进电机，所述步进电机与带轮连接，所述带轮通过同步带与滚珠丝杆机构连接，所述滚珠丝杆机构上固定有推板，所述推板与推杆的一端连接，所述推杆的另一端穿过所述取料室底部与所述下部坩埚的底部连接，所述的推杆通过密封法兰与取料室密封设置。步进电机通过带轮间接带动滚珠丝杆机构转动，实现推板的上下移动，进而使推板通过推杆带动下部坩埚上下移动。

优选的，所述推杆为中空结构，所述推杆与所述推板连接端设有进水口，所述推杆与所述下部坩埚的底部连接端连有出水导管。所述推杆与其顶部相连的出水导管形成循环水路，防止推板在熔炼时被熔化。

一种熔点分级的合金熔炼装置，基于该装置的合金熔炼方法，包括如下步骤：

S1、将配置好的合金组元金属按熔点高低分别放入上部坩埚的对应的不同熔炼腔室内，熔点低的放入磁通量低的腔室，即体积小的腔室，熔点高的放在磁通量高的腔室，即体积大的腔室；

S2、使真空熔炼室处于抽真空状态，达到一定的真空度后开始通入氮气保护气，当气压表到一定数值后停止输送；

S3、启动电磁感应线圈，开始熔炼合金，观察熔炼情况，等到金属都变成液态，降低电磁感应线圈的功率使液态金属全部从上部坩埚的通孔中落入下部坩埚内，继续熔炼使液态合金均匀化；

S4、关闭电磁感应线圈，解除真空状态，启动升降构，使下部坩埚移至取料室内，降温后，取出合金锭；

以上步骤均在水冷系统打开状态下进行。

通过采用上述技术方案，达到的技术效果如下：

1、采用一个真空室里安置上下分布的两个分瓣式坩埚，并且将上部坩埚分为不同体积的腔室，不同腔室通过的电磁感应线不同，即磁通量不同，产生的焦耳热不同，使得不同腔室达到的熔融的温度不同，根据不同技术组元的熔点将各组元放至相应的腔室中，①在上部坩埚内同时熔炼熔点级别不同的金属，熔融，不会发生低熔点组元挥发现象，解决了各组元比例不准确的技术问题；②电磁场产生的热量得到充分的利用，提高了能源的利用效率；③融化后的金属流入下部坩埚充分混合均匀，与现有技术相比不仅省时，高效，更重要的是通过采用本实用新型的技术方案的得到的合金一体成型，组织性能好。

2、采用了坩埚和水冷管道的分体式设计，不把水冷管道和坩埚焊接，可以在坩埚烧损后只更换坩埚，不需要连同水冷管一起更换，减轻修复维护难度；另外，坩埚可以沿水冷管移动取出，便于清理。

3、设置了底部的升降系统可以轻松实现取料问题。

附图说明

图1为本实用新型的熔点分级的合金熔炼装置的上半部分示意图；

图2为本实用新型的熔点分级的合金熔炼装置的下半结构示示意图；

图3为本实用新型的上部坩埚瓣的结构图；

图4为本实用新型的上部坩埚的剖视图；

图5为本实用新型的上部坩埚的爆炸图；

图6为本实用新型的下部坩埚瓣的结构图；

图7为本实用新型的下部坩埚的剖视图；

图8为本实用新型的下部坩埚的爆炸图；

图9为本实用新型的分腔机构的示意图；

图10为本实用新型的分腔机构剖视图；

图11为本实用新型的上部坩埚和分腔机构的示意图；

图12为本实用新型的一组蛇形循环水冷管的示意图；

图13为本实用新型的坩埚水冷系统的示意图；

图14为本实用新型的真空熔炼室内部结构示意图；

图15为本实用新型的升降机构的示意图；

图16为本实用新型的推杆部分爆炸图；

图17为本实用新型的推杆部分水冷半剖视图；

图18为本实用新型的真空熔炼室整体结构示意图；

图19为本实用新型的真空熔炼室后部的示意图；

图20为本实用新型的底座内部结构示意图；

其中，1上部坩埚、11上部坩埚瓣、111上部坩埚壁瓣、112上部坩埚底瓣、12第一石英板、13螺钉、2下部坩埚、21下部坩埚瓣、211下部坩埚壁瓣、212下部坩埚底瓣、22第二石英板、23螺钉、3分腔机构、31挡板、32双层水冷管、321内层水管、322外层水管、33出水套、34进水套、35密封法兰、4坩埚水冷系统、411蛇形循环水冷管、412密封螺母、413管道固定件、42进水集水箱、43出水集水箱、441上焊板、442下焊板、5电磁感应线圈、51上部电磁感应线圈、52下部电磁感应线圈、6升降机构、611带轮、612步进电机、613同步带、62顶帽、631推杆、632出水导管、633进水口、64推板、65滚珠丝杆机构、7真空熔炼室、71底部密封法兰、72电极接头、73熔炼室门、74真空盖、741气压表、742观察窗、743氮气通道、744放气阀、75抽真空管道、76冷却系统进出口通道、8取料室、81取料室门、82密封法兰、9底座、91底座门。

具体实施方式

如图1所示，一种熔点分级的合金熔炼装置，其特征在于，包括真空熔炼室7，所述真空熔炼室7的内设有上部坩埚1和下部坩埚2，所述下部坩埚2设置在真空熔炼室7的底部，所述上部坩埚1通过固定件固定在所述下部坩埚2的正上方；

如图3-5所示，所述上部坩埚1和所述下部坩埚2均有包括若干个坩埚瓣，相邻的两个所述坩埚瓣之间设有缝隙，所述上部坩埚1底部设有通孔；

所述坩埚瓣包括坩埚壁瓣和坩埚底瓣，所述坩埚壁瓣的凸台和所述坩埚底瓣的凹槽过盈连接，所述坩埚底瓣的底部通过螺钉固定在石英板上分别围成上部坩埚1和下部坩埚2，所述上部坩埚1上部为圆筒状结构，所述上部坩埚1底部的内壁和外壁为圆锥形结构，所述下部坩埚2上部及所述下部坩埚2底部的外壁均为圆筒状结构，所述下部坩埚2底部的内壁为半球状结构。。

具体的，所述上部坩埚1包括12个上部坩埚瓣11，其中上部坩埚瓣11又由坩埚壁瓣111的凸台和坩埚底瓣112的凹槽的过盈连接组成。坩埚底瓣112内外侧均带有锥度，且底部有螺纹孔，通过螺钉13固定在第一石英板12上，围成上部坩埚1。上部坩埚1的底部内腔为圆锥形，加大了熔炼时对金属的悬浮力。

如图6-8所示，所述下部坩埚2包括12个下部坩埚瓣21，其中下部坩埚瓣21由坩埚壁瓣211的凸台和坩埚底瓣212的凹槽的过盈连接组成。坩埚底瓣212内侧为半圆球面且底部有螺纹孔，通过螺钉23固定在第二石英板22上，围成下部坩埚2。下部坩埚2的底部内腔为半圆球形，用于对液态合金的均匀混合。

如图9-11，所述上部坩埚1内设有分腔机构3，所述分腔机构3将所述上部坩埚1内分成若干个体积不同的腔室，如所述分腔机构3包括辐射分布的3个挡板31，每两个相邻的所述挡板31之间的夹角分别为60°、120°和180°，每两个相邻的所述挡板31之间均有缝隙。分腔机构3通过密封法兰35固定在真空熔炼室7的真空盖74上。

当坩埚瓣数为12时，坩埚缝隙为12条，穿过的电磁感应线为24条，分腔机构3将上部坩埚1分成体积不同的三个腔室，每个腔室穿过的电磁感应线数分别为4条、8条、12条，4条的为低等级，8条的为中等级，12条的为高等级，如熔炼金属熔点分别为1000-2000℃、2000-3000℃、3000℃以上，将三个熔点区间的金属分别一次放入低等级、中等级、高等级的腔室中进行熔炼。实际工作中，可以根据熔炼金属温度需要，通过调整电磁感应线圈5的功率调整电磁感应强度，进而调整熔炼所需温度，实现熔点分级熔炼。

所述分腔机3构连有水冷系统，所述挡板31内部设有水腔，所述水腔与双层水冷管32连接，所述双层水冷管32包括内层水管321和外层水管322，所述内层水管321入口与进水套34连通，所述内层水管321出口和所述外层水管322入口分别与所述水腔连通，所述外层水管322出口与出水套33连通。

所述上部坩埚1、所述下部坩埚2也连有水冷系统。所述上部坩埚1和下部坩埚2外壁贴合包裹若干蛇形循环水冷管411，所述蛇形循环水冷管411进水端与进水集水箱42连接，所述蛇形循环水冷管411出水端与出水集水箱43连接，所述进水集水箱42和出水集水箱43均为带缺口环形的结构。

具体的，如图12-13，所述的坩埚水冷系统4包括有蛇形循环水路41，进水集水箱42，出水集水箱43，其中蛇形循环水路41包括三组蛇形循环水冷管411，密封螺母412和管道固定件413。所述的蛇形循环水冷管411呈拉法尔管状结构分布，中间细两端粗，细端的一侧用于支撑所述上部坩埚1，与上部坩埚和下部坩埚的水冷槽紧密贴合，管路连接的两个部分靠密封螺母412连接。蛇形循环水冷管411的进、出水端通过活密封螺母412分别连接在进水集水箱42和出水集水箱43上。所述的进水集水箱42、出水集水箱42为带缺口的环状水箱，减少水箱对磁场的削弱，且进水箱集水箱42上表面焊接有固定安装水冷管的上焊板441，通过管道固定件413固定水冷管，出水集水箱43下表面焊接有固定安装在真空熔炼室的下焊板442。

如图14所示，所述上部坩埚1和所述下部坩埚2外壁分别设有电磁感应线圈5，上部坩埚1外壁为上部电磁感应线圈51，所述下部坩埚2外壁为下部电磁感应线圈52，电磁感应线圈5产生的交变磁场来熔炼金属。工作时，上部电磁感应线圈51和下部电磁感应线圈52可以同时工作，也可以先将上部电磁感应线圈51打开，熔融金属组元，待融化的液态金属落入下部坩埚2前，打开下部电磁感应线圈52一段时间，下部坩埚2内达到一定的温度。

所述蛇形循环水冷管411设置在所述电磁感应线圈5内侧。

如图20所示，所述真空熔炼室7通过底部密封法兰71安装在底座9顶部，所述底座9内设有用于容纳下部坩埚2的取料室8，所述取料室8与所述真空熔炼室7连通，所述底座9内还设有升降机构6，所述升降机构6穿过所述取料室8底部与所述下部坩埚2底部连接。合金熔炼完成后，升降机构6使下部坩埚2移至取料室8内，取出合金，取料室8靠取料室门81和密封法兰82密封，升降系统工作时关闭底座门91，防治机械伤人。

如图15所示，所述升降机构包括步进电机612，所述步进电机612与带轮611连接，所述带轮611通过同步带613与滚珠丝杆机构65连接，所述滚珠丝杆机构65上固定有推板64，所述推板64与推杆631的一端连接，所述推杆631的另一端穿过所述取料室8底部与所述下部坩埚2底部的第二石英板22连接。步进电机612通过带轮611间接带动滚珠丝杆机构65转动，实现推板631的上下移动，进而使推板64通过推杆631带动下部坩埚2蛇形循环水冷管411下部分的上下移动。所述的推杆631通过密封法兰82与取料室8密封设置。

如图16-17，所述推杆631为中空结构，所述推杆631与所述推板64连接端设有进水口633，所述推杆631与所述下部坩埚2的底部连接端连有出水导管632。所述推杆631与其顶部相连的出水导管632形成循环水路，防止推杆631在熔炼时被熔化。出水导管632和推杆631均通过密封法兰82与取料室8密封设置。

如图18-19，所述的真空熔炼室7外壁包括有法兰底座71，电极接口72，抽真空通道75，冷却系统进出口通道76，各通道均用法兰密封。所述真空熔炼室7顶部有真空盖74，所述炉盖上有气压表741，观察窗742，氮气输送管道743和放气阀744。

如图2所示，此时为升降机构6升起，将下部坩埚2放至上部真空熔炼室7后底座内部状态，如图18所示，此时为熔炼结束后，下部坩埚2降至取料室8后底座内部的状态。

一种熔点分级的合金熔炼方法，具体实施步骤如下：

S1、将配置好的合金组元金属按熔点高低分别放入上部坩埚1的对应的不同熔炼腔室内，熔点低的放入磁通量低的腔室，即体积小的腔室，熔点高的放在磁通量高的腔室，即体积大的腔室；

S2、关闭熔炼室门73，关闭取料室门81和底座门91，开始抽真空，到一定的真空度后开始从氮气通道通入保护气氮气，当气压表到一定数值后停止输送；

S3、启动电磁感应线圈5，开始熔炼合金，通过观察窗742观察熔炼情况，等到金属都变成液态，调整降低电磁感应线圈5的功率使所有液态金属同时掉入下部坩埚2内，继续熔炼使液态合金均匀化；

S4、关闭电磁感应线圈5，打开放气阀744，打开熔炼室门73，启动升降机构6，使下部坩埚2移至取料室8内，打开底座门91和取料室门81，取出最终合金锭；

以上步骤均在水冷系统打开状态下进行。

Claims (9)

1.一种熔点分级的合金熔炼装置，其特征在于，包括真空熔炼室(7)，所述真空熔炼室(7)的内设有上部坩埚(1)和下部坩埚(2)，所述下部坩埚(2)设置在真空熔炼室(7)的底部，所述上部坩埚(1)通过固定件固定在所述下部坩埚(2)的正上方；

所述上部坩埚(1)和所述下部坩埚(2)均有包括若干个坩埚瓣，相邻的两个所述坩埚瓣之间设有缝隙，所述上部坩埚(1)底部设有通孔；

所述上部坩埚(1)和所述下部坩埚(2)外壁分别设有电磁感应线圈(5)；

所述上部坩埚(1)内设有分腔机构(3)，所述分腔机构(3)将所述上部坩埚(1)内分成若干个体积不同的腔室；

所述上部坩埚(1)、所述下部坩埚(2)和所述分腔机构(3)均连有水冷系统。

2.根据权利要求1所述的熔点分级的合金熔炼装置，其特征在于，所述坩埚瓣包括坩埚壁瓣和坩埚底瓣，所述坩埚壁瓣的凸台和所述坩埚底瓣的凹槽过盈连接，所述坩埚底瓣的底部通过螺钉固定在石英板上分别围成上部坩埚(1)和下部坩埚(2)，所述上部坩埚(1)上部为圆筒状结构，所述上部坩埚(1)底部的内壁和外壁为圆锥形结构，所述下部坩埚(2)上部及所述下部坩埚(2)底部的外壁均为圆筒状结构，所述下部坩埚(2)底部的内壁为半球状结构。

3.根据权利要求1所述的熔点分级的合金熔炼装置，其特征在于，所述分腔机构(3)包括辐射分布的3个挡板(31)，每两个相邻的所述挡板(31)之间的夹角分别为60°、120°和180°，每两个相邻的所述挡板(31)之间均有缝隙。

4.根据权利要求3所述的熔点分级的合金熔炼装置，其特征在于，所述挡板(31)内部设有水腔，所述水腔与双层水冷管(32)连接，所述双层水冷管(32)包括内层水管(321)和外层水管(322)，所述内层水管(321)入口与进水套(34)连通，所述内层水管(321)出口和所述外层水管(322)入口分别与所述水腔连通，所述外层水管(322)出口与出水套(33)连通。

5.根据权利要求1所述的熔点分级的合金熔炼装置，其特征在于，所述上部坩埚(1)和下部坩埚(2)外壁贴合包裹若干蛇形循环水冷管(411)，所述蛇形循环水冷管(411)进水端与进水集水箱(42)连接，所述蛇形循环水冷管(411)出水端与出水集水箱(43)连接，所述进水集水箱(42)和出水集水箱(43)均为带缺口环形的结构，所述蛇形循环水冷管(411)设置在所述电磁感应线圈(5)内侧。

6.根据权利要求5所述的熔点分级的合金熔炼装置，其特征在于，若干所述蛇形循环水冷管(411)呈中间细两端宽的拉法尔管状结构分布，细端的一侧用于支撑所述上部坩埚(1)。

7.根据权利要求1所述的熔点分级的合金熔炼装置，其特征在于，所述真空熔炼室(7)底部安装有底座(9)，所述底座(9)内设有用于容纳下部坩埚(2)的取料室(8)，所述取料室(8)与所述真空熔炼室(7)连通，所述底座(9)内还设有升降机构(6)，所述升降机构(6)穿过所述取料室(8)底部与所述下部坩埚(2)底部连接。

8.根据权利要求7所述的熔点分级的合金熔炼装置，其特征在于，所述升降机构包括步进电机(612)，所述步进电机(612)与带轮(611)连接，所述带轮(611)通过同步带(613)与滚珠丝杆机构(65)连接，所述滚珠丝杆机构(65)上固定有推板(64)，所述推板(64)与推杆(631)的一端连接，所述推杆(631)的另一端穿过所述取料室(8)底部与所述下部坩埚(2)的底部连接，所述的推杆(631)通过密封法兰(82)与取料室(8)密封设置。

9.根据权利要求8所述的熔点分级的合金熔炼装置，其特征在于，所述推杆(631)为中空结构，所述推杆(631)与所述推板(64)连接端设有进水口(633)，所述推杆(631)与所述下部坩埚(2)的底部连接端连有出水导管(632)。

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