冷坩堝反重力精密鑄造設(shè)備

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于真空冶金設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種冷坩堝反重力精密鑄造設(shè)備。

背景技術(shù)

金屬冶煉工業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)，其傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程要持續(xù)發(fā)展遇到眾多障礙。開(kāi)發(fā)新型冶煉技術(shù),采用冷坩堝反重力吸鑄技術(shù)具有重大意義。

在20世紀(jì)50年代末，感應(yīng)熔煉已經(jīng)成為金屬及合金材料的一種十分成熟和有效地生產(chǎn)方式。有人也希望能夠?qū)⒏袘?yīng)熔煉技術(shù)應(yīng)用于難熔活潑金屬以及其合金的熔煉中，并且做出了各種嘗試。首先是將普通的耐火氧化物坩堝改換成致密的人造石墨坩堝，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)金屬中滲碳嚴(yán)重，導(dǎo)致性能變差。為了解決滲碳問(wèn)題，在坩堝內(nèi)表面上涂敷氧化釔或其他相對(duì)于熔煉金屬較為惰性的耐火材料涂層，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然可以減少碳對(duì)的污染，但是涂層壽面很短。

上世紀(jì)五六十年代，美國(guó)BMI研究所先后提出把整體銅坩堝改成為由四塊弧形銅瓣組成的銅坩堝，塊間用陶瓷絕緣，然后將銅坩堝和感應(yīng)線圈一同浸入水套中，成功的用感應(yīng)爐熔煉鈦、鋯等活性金屬獲得成功。試驗(yàn)證明，采用水冷銅坩堝可以有效避免熔煉過(guò)程中熔煉金屬所受的污染。而采取反重力吸鑄方式可以改善熔煉效果，提高熔煉金屬的純度，提高其性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單能耗低、工作效率高、且熔煉質(zhì)量好且成分純凈、充形效果好，滿足不同熔煉條件，安全性高，并可實(shí)現(xiàn)多種難熔活潑金屬的熔煉設(shè)備。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，包括由熔煉室、模具室構(gòu)成的爐體；熔煉室內(nèi)設(shè)置有冷坩堝熔煉系統(tǒng)；其特征在于，冷坩堝熔煉系統(tǒng)為分瓣式水冷銅坩堝，水冷銅坩堝周圍設(shè)置有熔煉感應(yīng)線圈；水冷銅坩堝上方設(shè)置有吸鑄管；

熔液在熔煉室中的冷坩堝熔煉系統(tǒng)完成熔煉后，給熔煉室充壓，溶液受壓后由吸鑄管向上進(jìn)入模具室，完成吸鑄；（吸鑄方式可以有效避免氣體夾雜，具有成分純凈，充形效果好等特點(diǎn)。）水冷銅坩堝的坩堝底采用弧形底面。

進(jìn)一步地，所述坩堝底為帶有切縫的弧形底面，用于溶液底注功能；坩堝底且設(shè)置有獨(dú)立的循環(huán)水路，用于保證坩堝底冷卻水量。

進(jìn)一步地，所述冷坩堝熔煉系統(tǒng)包括分瓣式水冷銅坩堝壁、坩堝壁底部的水冷銅坩堝底、位于水冷銅坩堝底下方的回水座；所述冷坩堝熔煉系統(tǒng)還包括坩堝進(jìn)回水環(huán)、分水器；所述回水座安裝在支撐架上，通過(guò)支撐架與熔煉室固定連接；熔煉電極與熔煉室內(nèi)的熔煉感應(yīng)線圈相連接。

進(jìn)一步地，所述熔煉室為臥式結(jié)構(gòu)，模具室為立式結(jié)構(gòu)，且模具室與熔煉室上下相貫焊接；熔煉室與模具室均采用壓力容器標(biāo)準(zhǔn)制造，所有腔室（包括熔煉室、模具室、水冷銅坩堝、感應(yīng)線圈）為雙層金屬壁，中間通冷卻水。

進(jìn)一步地，熔煉電極通過(guò)銅電極引電與電源系統(tǒng)相連接。

進(jìn)一步地，所述熔煉室設(shè)置有爐門，模具室設(shè)置有爐蓋；打開(kāi)爐蓋或爐門后，內(nèi)部整體露出便于裝取爐料及日常安裝維護(hù)。

進(jìn)一步地，所述爐體還設(shè)置有X射線檢測(cè)鈹窗口、真空系統(tǒng)、加料機(jī)構(gòu)、紅外測(cè)溫機(jī)構(gòu)、電源系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、操作臺(tái)、加熱保溫裝置；所述紅外測(cè)溫機(jī)構(gòu)安裝在熔煉室與模具室上預(yù)留的紅外測(cè)溫接口，用于紅外測(cè)溫使用，紅外測(cè)溫通過(guò)反射片反射測(cè)量熔液溫度，反射片（非晶材料平面反射片）；同時(shí)安裝有熱電偶測(cè)溫機(jī)構(gòu)用來(lái)校驗(yàn)紅外測(cè)溫的準(zhǔn)確性；該熱電偶測(cè)溫機(jī)構(gòu)包括測(cè)溫槍、熱電偶；（外部手柄旋轉(zhuǎn)操作，可在不破壞熔煉室真空度情況下進(jìn)行精煉過(guò)程中的多次快速測(cè)溫。）所述X射線檢測(cè)鈹窗口位于模具室內(nèi)，窗口安裝有X射線檢測(cè)設(shè)備。

更進(jìn)一步地，所述加熱保溫裝置包括相對(duì)設(shè)置的左右兩部分：左半部和右半部，左半部固定于模具室一側(cè)，右半部固定于模具室另一側(cè)；且吸鑄管位于左右兩半部間；左半部與右半部結(jié)構(gòu)相同，均包括開(kāi)口朝前的保溫瓣、與保溫瓣相連的伸縮氣缸；加熱時(shí)，氣缸帶動(dòng)兩瓣合攏對(duì)吸鑄管進(jìn)行加熱保溫，準(zhǔn)備吸鑄前，氣缸帶動(dòng)兩瓣打開(kāi)（分開(kāi)，躲開(kāi)整個(gè)模具機(jī)構(gòu)。）

進(jìn)一步地，熔煉室內(nèi)設(shè)置有熱偶測(cè)溫裝置、紅外反射屏、觀察反射屏；熔煉室與模具室上均配有安全閥，安全閥的工作端口與熔煉室及模具室的工作腔體相連通。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明有益效果。

本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造與維護(hù)成本低，安裝方便，節(jié)能環(huán)保，安全性好。所有部件采用耐壓設(shè)計(jì)，可用于難熔活潑金屬合金熔煉，在熔煉Ti、TiAl合金及Zr合金等難熔活潑金屬時(shí)，可以準(zhǔn)確控制熔煉條件，因而在應(yīng)用上靈活，吸鑄式熔煉方法具有充形率高，成分純凈，避免氣體混雜等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明冷坩堝熔煉系統(tǒng)采用分瓣式串聯(lián)冷卻循環(huán)模式，分瓣式結(jié)構(gòu)具有電效率高、壽命長(zhǎng)、安全可靠、易于拆卸、便用維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明弧形坩堝底具有透磁率高、過(guò)熱度高、凝殼少（小于10%）且凝殼可重復(fù)熔化，不浪費(fèi)原料等優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明裝備有多個(gè)觀察窗口，多種測(cè)溫裝置以及X射線檢測(cè)設(shè)備安裝窗口，可以全面監(jiān)控熔煉過(guò)程，同時(shí)可對(duì)熔煉條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足多種金屬高品質(zhì)難熔活潑金屬合金的熔煉要求。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明保護(hù)范圍不僅局限于以下內(nèi)容的表述。

圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明內(nèi)部視圖；

圖3為本發(fā)明內(nèi)部局部放大視圖；

圖4為本發(fā)明俯視圖；

圖5為本發(fā)明為冷坩堝熔煉系統(tǒng)局部放大視圖；

圖6a為本發(fā)明為水冷銅坩堝局部放大視圖；

圖6b為圖6a的A向剖開(kāi)示意圖。

圖7a為加熱保溫裝置局部放大視圖之分開(kāi)狀態(tài)。

圖7b為加熱保溫裝置局部放大視圖之合攏狀態(tài)。

圖8為坩堝翻轉(zhuǎn)及銅電極引電系統(tǒng)示意圖。

圖中，1.熔煉室、2.模具室、3.爐蓋、4.爐門、5.冷坩堝熔煉系統(tǒng)、6.爐門升降轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、7.吸鑄管、8.加熱保溫裝置、9.熱偶測(cè)溫裝置、10.紅外測(cè)溫機(jī)構(gòu)、11.X射線檢測(cè)鈹窗口、12.電源系統(tǒng)、13.加料裝置、14.真空系統(tǒng)、15.銅電極引電、16.氣動(dòng)系統(tǒng)、18、紅外反射屏、19.觀察反射屏、20.安全閥、21.電氣控制系統(tǒng)、22.操作臺(tái)、23.支撐架、24為熔煉感應(yīng)線圈、25為分水器、26為水冷銅坩堝底、27為回水座、28為坩堝進(jìn)回水環(huán)、29為水冷銅坩堝壁、30為弧形底面、31為冷坩堝分瓣、31為伸縮氣缸、32為保溫外殼、33為套筒、34為銅電極引電機(jī)構(gòu)、35為齒輪機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

如圖1-8所示，本發(fā)明具體實(shí)施方式：包括熔煉室1、模具室2、爐蓋3、爐門4、冷坩堝熔煉系統(tǒng)5、爐門升降轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)6、吸鑄管7、加熱保溫裝置8、熱偶測(cè)溫裝置9、紅外測(cè)溫機(jī)構(gòu)10、X射線檢測(cè)鈹窗口11、電源系統(tǒng)12、加料裝置13、真空系統(tǒng)14、坩堝翻轉(zhuǎn)及銅電級(jí)引電15、氣動(dòng)系統(tǒng)16、觀察裝置17、紅外反射屏18、觀察反射屏19、安全閥20、電氣控制系統(tǒng)21、操作臺(tái)22以及其它確保設(shè)備正常、穩(wěn)定、長(zhǎng)期、可靠運(yùn)行所必需的其它配套設(shè)施。

冷坩堝熔煉系統(tǒng)5包括熔煉感應(yīng)線圈24、分水器25、水冷銅坩堝底26、回水座27、坩堝進(jìn)回水環(huán)28、水冷銅坩堝壁29，回水座27安裝在支撐架23上，作為整體結(jié)構(gòu)與熔煉室1固定連接；熔煉電極通過(guò)密封結(jié)構(gòu)分別與熔煉室1內(nèi)的熔煉感應(yīng)線圈24相連接，電極外部通過(guò)銅電極引電15與電源系統(tǒng)12相連接。同時(shí)，坩堝還與坩堝翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連。

如圖8所示，坩堝翻轉(zhuǎn)及銅電極引電系統(tǒng)說(shuō)明：坩堝支撐架23與套筒連接，在爐體外部由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)35，齒輪帶動(dòng)套筒33及坩堝支撐架等部件旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)坩堝翻轉(zhuǎn)。同時(shí)銅電極引電機(jī)構(gòu)34由套筒33內(nèi)穿入爐體，完成對(duì)坩堝的供電。這樣就可以實(shí)現(xiàn)由爐體上一處開(kāi)孔，同時(shí)安裝坩堝翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與銅電極引電機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明所述爐體由熔煉室1與模具室2組成，熔煉室1為臥式結(jié)構(gòu)，模具室2為立式結(jié)構(gòu)，與熔煉室1上下相貫焊接。熔煉室1與模具室2均采用壓力容器標(biāo)準(zhǔn)制造。所有腔室為雙層金屬壁，中間通冷卻水。熔液在熔煉室1中的冷坩堝熔煉系統(tǒng)5完成熔煉后，給熔煉室1充壓，溶液受壓后由吸液管向上進(jìn)入模具室2，完成吸鑄。吸鑄方式可以有效避免氣體夾雜，具有成分純凈，充形效果好等特點(diǎn)。

本發(fā)明所述的冷坩堝反重力精密鑄造設(shè)備，冷坩堝側(cè)壁的由一整件銅料機(jī)加工而成，而采用16-30瓣的冷坩堝分瓣以圓周方向形成一個(gè)“筒”。這種方式的具有三大優(yōu)勢(shì)：其一，是可大幅降低中小型冷坩堝的制造成本；其二，由于是整體鍛造的胚料所以材料整體質(zhì)量可以得到保證；其三，弧形坩堝底具有，透磁率高，過(guò)熱度高，凝殼少等優(yōu)勢(shì)，可以有效提高熔煉效果。所述水冷銅坩堝壁29是采用多組帶有獨(dú)立循環(huán)水道的銅坩堝瓣拼接而成，降低了加工制造的難度同時(shí)也節(jié)省日后維護(hù)成本；所述水冷銅坩堝底26為帶有切縫錐形結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)熔液底注功能并且設(shè)計(jì)有獨(dú)立的循環(huán)水路，保證堝底冷卻水量，見(jiàn)圖5、圖6。具體說(shuō)明：水冷銅坩堝底為帶有切縫弧形結(jié)構(gòu)，間隙尺寸約為0.3~0.4mm，并用陶瓷片填充，分瓣式坩堝間隙用于透磁，保證熔煉。

本發(fā)明所述的冷坩堝反重力精密鑄造設(shè)備，所述紅外測(cè)溫機(jī)構(gòu)10安裝在熔煉室1與模具室2上預(yù)留的紅外測(cè)溫接口，用于紅外測(cè)溫使用，紅外測(cè)溫通過(guò)反射片反射測(cè)量熔液溫度，反射片（非晶材料平面反射片）；同時(shí)安裝有熱電偶測(cè)溫機(jī)構(gòu)9用來(lái)校驗(yàn)紅外測(cè)溫的準(zhǔn)確性,由測(cè)溫槍、熱電偶等組成，外部手柄旋轉(zhuǎn)操作，可在不破壞熔煉室真空度情況下進(jìn)行精煉過(guò)程中的多次快速測(cè)溫；所述加料機(jī)構(gòu)13用于向冷坩堝熔煉系統(tǒng)內(nèi)添加合金成分，或進(jìn)行少量補(bǔ)料。該設(shè)備中的加料機(jī)構(gòu)13需在熔煉前將所要添加的合金材料放入加料斗中，待需要添加時(shí)，通過(guò)外部手柄手動(dòng)旋轉(zhuǎn)添加。所述X射線檢測(cè)鈹窗口11位于模具室2，窗口處可根據(jù)需要安裝X射線檢測(cè)設(shè)備，可以有效監(jiān)控爐體內(nèi)工作狀況，以保證對(duì)熔煉的全面監(jiān)控與調(diào)節(jié)，從而滿足多種熔煉需求。

本發(fā)明冷坩堝反重力精密鑄造設(shè)備，加熱保溫裝置8采用電阻加熱方式，最高保溫加熱溫度900℃，加熱套采用耐熱不銹鋼。

加熱保溫裝置8采用分瓣式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加熱機(jī)構(gòu)分為2瓣，通過(guò)兩個(gè)氣缸推拉實(shí)現(xiàn)開(kāi)合的設(shè)計(jì)，加熱時(shí)兩瓣合攏對(duì)吸鑄管7進(jìn)行加熱保溫，模具下降（準(zhǔn)備吸鑄）前，兩瓣（保溫瓣或叫保溫外殼）打開(kāi)躲開(kāi)整個(gè)模具機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖7。

本發(fā)明冷坩堝反重力精密鑄造設(shè)備，所述的熔煉室1與模具室2及其內(nèi)部設(shè)備均采用耐壓設(shè)計(jì)，符合壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，爐體爐蓋3與爐門4采用齒圈鎖緊方式，由兩個(gè)大推力氣缸做為動(dòng)力輸出源，保證使用過(guò)程中安全性與可靠性。熔煉室1與模具室2上配有安全閥18，防止因充氣壓力超過(guò)使用范圍導(dǎo)致的安全問(wèn)題。安全閥18的工作端口與熔煉室1與模具室2工作腔體相通。

本發(fā)明排空氣體經(jīng)過(guò)干式過(guò)濾器過(guò)濾后才能最終進(jìn)入機(jī)械泵真空系統(tǒng)，能有效收集熔煉過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)物、油脂、粉塵等，避免粉塵顆粒對(duì)機(jī)械泵轉(zhuǎn)子的劃傷，減緩對(duì)泵油的污染。同時(shí)，為防止熔煉過(guò)程中由于意外導(dǎo)致的水冷銅坩堝熔穿冷卻水與熔融液體接觸發(fā)生的不可預(yù)見(jiàn)反應(yīng)狀況，熔煉室1與模具室2均設(shè)置獨(dú)立的安全閥。

可以理解的是，以上關(guān)于本發(fā)明的具體描述，僅用于說(shuō)明本發(fā)明而并非受限于本發(fā)明實(shí)施例所描述的技術(shù)方案，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換，以達(dá)到相同的技術(shù)效果；只要滿足使用需要，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。