專利名稱：一種臥式半連續(xù)真空吸鑄爐的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及真空熔鑄爐設備的制造技術，具體的說是一種臥式半連續(xù)真空吸鑄爐。
背景技術：
目前，常規(guī)重力鑄造的真空感應熔鑄爐在國內外都具備成熟的制造技術，但由于重力鑄造工藝的局限，用該類型爐子鑄造特殊形狀或薄壁長鑄件，給其成型及補縮帶來通常難以克服的困難。故人們致力于反重力鑄造設備和工藝的開發(fā)。目前，常壓下的反重力鑄造技術和設備在上世紀就得到了較大的發(fā)展，且已經在鋁合金薄壁件的鑄造上成功應用。但有些活性較強的金屬材料，如高溫合金、鈦合金等，不適合在常壓下進行熔煉和反重力鑄造，必須通過真空或惰性氣氛下熔煉材料，并在惰性氣氛下吸鑄，才能制備出高性能的鑄造部件，因此，針對活性材料的真空吸鑄設備在我國急需發(fā)展。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種臥式半連續(xù)真空吸鑄爐，采用本發(fā)明可在真空下或最大為2atm的惰性保護氣氛下半連續(xù)感應熔煉金屬材料，并可在十幾秒內完成鑄件的整個吸鑄充型，半連續(xù)吸鑄出特殊形狀和薄壁的金屬鑄件。
為了實現上述目的，本發(fā)明的技術方案是一種臥式半連續(xù)真空吸鑄爐，包括感應熔煉室、吸鑄室、合金加料斗、非接觸式紅外測溫裝置及插入接觸式測溫裝置、真空蓄勢罐、IGBT可調頻電源、真空系統(tǒng)、PLC人機界面操作的手動或自動控制系統(tǒng)，其中感應線圈置于熔煉室內，熔煉室由固定爐體和可動爐體對接而成，兩者通過氣動鎖緊卡環(huán)實現互鎖，在爐內不泄露進空氣的條件下，實現爐內與吸鑄模壓差最高達到3atm的反重力鑄造；感應線圈通過固定爐體上的進電軸與IGBT可調頻電源電連接，熔煉頻率在1500～3000Hz靈活可調；合金加料斗在固定爐體上方通過氣動球閥與爐體連接，可達到半連續(xù)加合金料；吸鑄室在可動爐體上通過氣動插板閥與爐體相連接，通過吸鑄室即可實現半連續(xù)吸鑄操作，還可間歇半連續(xù)加主合金料；測溫系統(tǒng)包括非接觸式紅外測溫裝置及插入接觸式測溫裝置，均通過法蘭連接于可動爐體上方；真空蓄勢罐與固定在吸鑄室上的吸鑄管連接，吸鑄管可在吸鑄室和熔煉室坩堝之間最大上下移動1.5m距離，完成固定在其上吸鑄模具的反重力鑄造。
所述氣動鎖緊卡環(huán)縱截面呈形的環(huán)狀結構，可動爐體法蘭與固定爐體連接法蘭之間密封通過位于固定爐體上的氣動形鎖緊卡環(huán)卡接鎖緊，可動爐體法蘭背面鑲有楔形塊，氣動鎖緊卡環(huán)鑲有與可動爐體楔形塊相對應的楔形塊，可動爐體與氣動鎖緊卡環(huán)通過楔形塊鎖緊。
水冷感應熔煉室、吸鑄室的內層不銹鋼和外層碳鋼板較常規(guī)的真空熔鑄爐加厚，保證能夠承受2atm的壓力，同時在測真空的離子管和硅管與爐體間，分別裝有隔離閥，測真空時閥門打開，充大于1atm惰性氣氛時閥門關閉，確保測真空的離子管、硅管在整個熔煉吸鑄過程中不損壞。此外，熔煉室的固定爐蓋和可動爐體之間有氣動鎖緊卡環(huán)鎖緊，保證在最高為2atm壓力下的熔煉和吸鑄過程中，保護爐內氣氛不向爐外泄漏，同時爐外的空氣也不向爐內滲入；合金加料斗通過氣動球閥與熔煉室相連，保證在不破壞熔煉室真空的條件下，向熔煉坩堝中半連續(xù)加料；熔煉的測溫包含紅外測溫及插入接觸式測溫裝置，準確的控制熔煉及吸鑄時鋼液的溫度。真空吸鑄室通過插板閥與可動爐體相連，實現半連續(xù)加主合金料。同時固定在真空吸鑄室上的升降吸鑄管內與吸鑄模具連接，外通過閥門與真空蓄勢罐連接，實現半連續(xù)吸鑄的功能。
IGBT可調頻電源的最大送電功率為100kw，它的調頻功能是通過調解電路的電感量和電容量的匹配來實現的。針對一個感應線圈和熔化的材料，在電感量較為固定后，本電源熔煉過程的調頻主要依靠調節(jié)回路的電容值實現調頻功能。通過快捷地增減控制平臺上電源柜的電容，其調頻范圍達可達到1500～3000Hz。針對熔煉材料密度的不同要求，采用不同頻率進行熔煉，在保證熔煉材料具有良好的均勻性同時，由不對熔煉的坩堝產生過分的侵蝕。
另外，本發(fā)明通過爐體外的真空蓄勢罐及吸鑄管路上的安裝一吸鑄控制閥，用于控制氣體流量，可在吸鑄過程中按可調速度，使吸鑄模具腔內與爐體主熔煉室之間形成最大為3atm的壓差，完成坩堝內熔融金屬液體反重力吸鑄，使液體充滿吸鑄模具型腔。同時在吸鑄室與熔煉室之間設置插板閥，保證吸鑄過程可半連續(xù)進行。
本發(fā)明一套真空系統(tǒng)可對熔煉室、吸鑄室、真空蓄勢罐、合金加料斗分別或同時抽真空，為真空吸鑄爐的不同部位，搭建起獲取真空的平臺。
所述鋼液測溫系統(tǒng)包括電驅動的非接觸式紅外測溫裝置及插入接觸式測溫裝置，可分別測定爐內坩堝熔化鋼液溫度。
插入接觸式測溫裝置不采用傳統(tǒng)的手搖式，改為電機驅動測溫桿測溫。在爐體上方同時安放非接觸式紅外測溫裝置，實現非接觸式紅外測溫，為監(jiān)測熔化的強活性材料的溫度提供保證。非接觸式紅外測溫裝置安裝于電驅動的升降管內，電驅動的升降管帶水冷，不會因測溫使升降管有溫度影響與爐體間的密封，產生空氣泄漏。帶水冷的升降管配有吹氣裝置，測溫時向該升降管吹入少量隋性氣體，保持紅外探頭測試的光路清潔，無揮發(fā)氣體干擾，確保測定鋼液真實溫度。
該真空吸鑄爐的控制系統(tǒng)(如控制、記錄、存取等功能)采用PLC人機界面操作的手動或自動控制系統(tǒng)，各種操作過程全部集中于計算機模擬顯示的操作平臺(PLC人機界面)上進行熔煉、吸鑄工藝的實施。通過該平臺可動態(tài)對熔煉過程、吸鑄過程、加料過程實施監(jiān)控。同時還讀取并存儲真空度、熔煉溫度、爐內壓力隨時間的變化曲線。對每一爐實驗過程、工藝參數、結果進行詳細記錄、儲存，實驗后可隨時查看。在計算機模操作平臺上可手動、自動控制熔煉、吸鑄過程。另外，在已編制的自動控制程序執(zhí)行過程中，可間歇插入臨時特設的手動操作，為較復雜的工藝過程的控制提供方便。另外，還可通過網絡遠程監(jiān)測或控制實驗過程。
本發(fā)明的真空吸鑄爐可在真空、正壓下熔煉合金，同時可在低真空、正壓下吸鑄合金，并在吸鑄過程中使得熔煉室和吸鑄模間造成指定的壓差，將合金液反重力吸入鑄模中，成型鑄件，通過在較大壓差的吸鑄，有利于薄壁件等成型和補縮。具體優(yōu)點如下1.真空或正壓保護氣氛下可調頻熔煉金屬材料真空感應熔煉金屬材料的原理同常規(guī)的真空感應爐，而正壓惰性氣氛下的半連續(xù)熔煉和吸鑄工藝的實現，通過可動爐體和固定爐體之間特殊設計的一道可雙向氣壓轉動的氣動鎖緊卡環(huán)完成。此外，為本設備感應線圈配備的電源，是自行開發(fā)的可調頻電源，頻率的調解范圍為1500～3000Hz。針對熔煉材料的密度，配給線圈不同的頻率，既可達到熔煉的有效的均勻化，又不至于強電磁攪拌對坩堝造成過分侵蝕。這對熔煉高純凈活性金屬材料尤為重要。
可動爐體上裝配有自動非接觸式紅外測溫裝置和插入式接觸測溫裝置兩套測溫系統(tǒng)，可靈活準確地監(jiān)測熔煉合金液的溫度。
2.反壓吸鑄半連續(xù)吸鑄工藝過程，是通過可動爐體上方的插板閥、插板閥上方的吸鑄室、吸鑄室上方的吸鑄模具升降裝置及抽氣管路上與真空蓄勢罐連接的閥門連續(xù)動作來完成。吸鑄過程中，當裝于吸鑄室的吸鑄模具通過打開的插板閥進入具有一定氣氛壓力的熔煉室，并插入到裝有合金液體的坩堝后，打開真空蓄勢管前邊的閥門，使得吸鑄模具內的氣體被抽走，這樣在坩堝的合金液上表面與吸鑄模具之間迅速造成一定的壓差，達到合金液快速充滿模具腔，凝固后得到需要尺寸的鑄件。整體組合示意圖如圖1。
3.半連續(xù)加料半連續(xù)主料的加入通過吸鑄室來完成。在吸鑄室和熔煉室之間有一插板閥，且吸鑄室和熔煉室分別通過閥門與抽真空系統(tǒng)連接，并可分別通入惰性保護氣氛，因此，可以通過吸鑄室和熔煉室之間插板閥的開關，在保證不破壞熔煉室真空或惰性保護氣氛的前提下，達到半連續(xù)加入主原料，熔化主料的目的。
輔合金料的加入到熔煉的坩堝，是通過合金加料斗和加料斗下的球閥實現。加料斗上備有充氣和放氣閥，利用加料斗下的球閥的開關，可達到不破壞熔煉室真空，半連續(xù)加合金料的目的。
4.抽真空系統(tǒng)要使熔煉室、吸鑄室、加料斗、真空蓄勢罐及吸鑄模具同時或分別獲得真空，通常需要不止一套真空泵，而本設備真空平臺的設計技巧在于，通過上述不同功能裝置與真空管路上的控制其本身閥門的開關，達到了各部位分別獲取真空的目的。同時在真空系統(tǒng)的增壓泵前端，配有真空去塵器，有效減少熔煉室內的揮發(fā)物被抽入真空泵中。具體設置示意見圖2。
5.半連續(xù)熔煉、吸鑄過程計算機模擬顯示的控制系統(tǒng)半連續(xù)熔煉、吸鑄過程，從裝料后合爐抽空開開始，整個熔煉、測溫、吸鑄，再到半連續(xù)加料、熔煉、測溫、吸鑄的控制過程全部集中于計算機模擬顯示屏上。可在計算機模擬顯示屏上完成手動、自動操作上述諸過程。讀取并存儲真空度、熔煉溫度、爐內壓力隨時間的變化曲線。對每一爐實驗過程、結果進行詳細記錄，以便將來查找。在計算機模操作平臺上可手動、自動控制熔煉、吸鑄過程。另外，在已編制的自動控制程序執(zhí)行過程中，可間歇插入臨時特設的手動操作，為較復雜的工藝過程的控制提供方便。特殊操作完成后，仍可重新回到后續(xù)的自動控制程序。


圖1為本發(fā)明設備整體結構示意圖。
圖2為本發(fā)明真空管路示意圖。
圖3a-b為圖1中氣動鎖緊卡環(huán)鎖緊示意圖。其中，圖3a為鎖緊剖面圖；圖3b為圖3a的局部I處鎖緊情況側視放大圖。
圖4為本發(fā)明一個實施例真空吸鑄的試棒(尺寸最細端直徑7mm)。
圖中，1感應熔煉室；2爐體支架；3可移動小車；4可動爐體；5窺視孔；6插入接觸式測溫裝置；7非接觸紅外測溫裝置；8插板閥；9澆道；10吸鑄模具；11吸鑄室；12吸鑄管；13吸鑄管路；14吸鑄控制閥；15快接法蘭；16合金加料斗；17吸鑄室抽空管路；18吸鑄室予抽閥；19真空蓄勢罐；20蓄勢罐抽空管路；21蓄勢罐予抽閥；22加料斗予抽閥；23氣動球閥；24加料撮；25主爐體予抽閥；26真空系統(tǒng)；27IGBT可調頻電源；28進電軸；29人機界面操作的手動或自動控制系統(tǒng)；30固定爐體；31固定爐體支架；32氣動鎖緊卡環(huán)；33感應線圈；34真空膠圈；35氣動鎖緊卡環(huán)楔形塊；36可動爐體楔形塊；37吹氣裝置。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
如圖1所示，包括感應熔煉室1、吸鑄室11、合金加料斗16、非接觸式紅外測溫裝置7及插入接觸式測溫裝置6、真空蓄勢罐19、IGBT可調頻電源27、真空系統(tǒng)26、人機界面操作的手動或自動控制系統(tǒng)29。感應線圈33置于感應熔煉室1內，感應熔煉室1由固定爐體30和可動爐體4組成，兩者通過氣動鎖緊卡環(huán)32進行互鎖，在爐內不泄露進空氣的條件下，實現爐內與吸鑄模壓差最高達到3atm的反重力鑄造；感應線圈33通過固定爐體30上的進電軸28與IGBT可調頻電源27電連接，熔煉頻率在1500～3000Hz靈活可調；合金加料斗16在固定爐體30上方通過氣動球閥23與爐體連接，吸鑄室11在可動爐體4上通過氣動插板閥8與爐體相連接，通過吸鑄室11即可實現半連續(xù)吸鑄操作，還可間歇半連續(xù)加主合金料；測溫系統(tǒng)包括非接觸式紅外測溫裝置7及插入接觸式測溫裝置6，均通過法蘭連接于可動爐體4上方，非接觸式紅外測溫裝置7安裝于電驅動的升降管內，電驅動的升降管帶水冷，帶水冷的升降管配有吹氣裝置37。真空蓄勢罐19與固定在吸鑄室11上的吸鑄管12連接，吸鑄管12可在吸鑄室11和熔煉室1內的感應線圈33之間的可調位置垂直移動，完成反重力鑄造；吸鑄模具10安裝于吸鑄室11內。
如圖2所示，一套真空系統(tǒng)26可分別對熔煉室1、吸鑄室11、真空蓄勢罐19、合金加料斗16分別或同時抽真空，為真空吸鑄爐的不同部位，搭建起獲取真空的平臺。
如圖3a-b所示，通過可動爐體4與固定爐體30之間氣動鎖緊裝置(氣動鎖緊卡環(huán))的特殊設計，保證爐體抽真空，充入惰性氣體或其他氣體最大至2atm后，爐內的氣體不向爐體外泄漏，同時爐外的空氣也不向爐體內滲漏。
所述氣動鎖緊卡環(huán)32縱截面呈形的環(huán)狀結構，可動爐體4法蘭與固定爐體30連接法蘭之間密封通過位于固定爐體上的氣動形鎖緊卡環(huán)卡接鎖緊，可動爐體4與固定爐體30之間設有真空膠圈34，可動爐體4法蘭背面鑲有楔形塊36，氣動鎖緊卡環(huán)32鑲有與可動爐體楔形塊相對應的楔形塊35，可動爐體4與氣動鎖緊卡環(huán)32通過楔形塊鎖緊。圖3a為未鎖緊狀態(tài)，可動爐體4可沿著氣動鎖緊卡環(huán)32移出；圖3b為鎖緊狀態(tài)，氣動鎖緊卡環(huán)32沿如圖3a所示方向轉動鎖緊。
另外，圖1中2為爐體支架；3為可移動小車；5為窺視孔；17為吸鑄室抽空管路；18為吸鑄室予抽閥；20為蓄勢罐抽空管路；21為蓄勢罐予抽閥；22為加料斗予抽閥；24為加料撮；25為主爐體予抽閥；31為固定爐體支架。
本發(fā)明的工作原理是本發(fā)明采用可動爐體4與固定爐體30之間氣動鎖緊裝置的特殊設計，保證爐體抽真空，充入惰性氣體或其他氣體最大至2atm后，爐內的氣體不向爐體外泄漏，同時爐外的空氣也不向爐體內滲漏。吸鑄室11的門及合金加料斗16上蓋鎖緊則用普通的螺桿和螺母實現。合金液熔煉后，通入一定量的保護氣體，將吸鑄模具10的澆道9插入感應線圈33內側的合金液中，打開吸鑄控制閥14，實現真空吸鑄鑄件。
半連續(xù)主料的加入通過吸鑄室11來完成。在吸鑄室11和熔煉室1之間有一插板閥8，且吸鑄室11和感應熔煉室1分別通過閥門與抽真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、放氣系統(tǒng)連接，因此，可以通過吸鑄室11和感應熔煉室1之間插板閥8的開關，在保證不破壞熔煉室真空或惰性保護氣氛的前提下，達到半連續(xù)加入主原料，熔化主料的目的。
輔合金料加入到熔煉的坩堝中，通過合金加料斗16及其下方氣動球閥23共同實現。合金加料斗16的予抽空管路上均備有充氣和放氣閥，可達到不破壞熔煉室真空，半連續(xù)加合金料的目的。
為解決細長比薄壁鑄件的鑄造成型問題，本發(fā)明所采用的吸鑄系統(tǒng)所產生的壓差由0.01atm～3atm可任意調節(jié)。其壓差的產生主要通過真空蓄勢罐19造成的真空，以及熔煉室1通入的外加惰性氣體，及吸鑄控制閥14完成。對于同一種合金，壓差越大充型越快，補縮力越大。
該真空吸鑄爐的控制系統(tǒng)(如控制、記錄、存取等功能)采用PLC人機界面操作的手動或自動控制系統(tǒng)，各種操作過程全部集中于計算機模擬顯示的操作平臺(PLC人機界面)上進行熔煉、吸鑄工藝的實施。半連續(xù)熔煉、吸鑄過程，從裝料后合爐抽空開始，整個熔煉、測溫、吸鑄，再到半連續(xù)加料、熔煉、測溫、吸鑄的控制過程全部集中于計算機模擬顯示屏上?？稍谟嬎銠C模擬顯示屏上完成手動，半自動和自動操作上述的諸過程。其中半連續(xù)熔煉、吸鑄的自動控制程序可事先輸入于計算機中，按輸入好的程序進行嚴格控制。如過程中需要重新加入新的特殊操作程序，則可暫停自動運行程序，在界面上手動插入特殊操作。特殊操作完成后，仍可重新回到后續(xù)的自動控制程序。
圖4為采用本發(fā)明臥式半連續(xù)真空吸鑄爐熔煉鑄造的合金棒。
權利要求
1.一種臥式半連續(xù)真空吸鑄爐，其特征在于包括感應熔煉室(1)、吸鑄室(11)、合金加料斗(16)、真空蓄勢罐(19)、真空系統(tǒng)(26)、鋼液測溫系統(tǒng)等，其中感應線圈(33)置于感應熔煉室(1)內，感應熔煉室(1)由固定爐體(30)和可動爐體(4)對接而成，兩者通過氣動鎖緊卡環(huán)(32)實現互鎖；合金加料斗(16)在固定爐體(30)上方通過氣動球閥(23)與固定爐體連接，吸鑄室(11)在可動爐體(4)上通過氣動插板閥(8)與可動爐體相連接；真空蓄勢罐(19)通過吸鑄管路(13)與固定在吸鑄室(11)上的吸鑄管(12)連接；所述氣動鎖緊卡環(huán)(32)縱截面呈形的環(huán)狀結構，可動爐體(4)法蘭與固定爐體(30)連接法蘭之間密封通過位于固定爐體上的氣動形鎖緊卡環(huán)卡接鎖緊，可動爐體(4)法蘭背面鑲有楔形塊(36)，氣動鎖緊卡環(huán)(32)鑲有與可動爐體楔形塊相對應的楔形塊(35)，可動爐體(4)與氣動鎖緊卡環(huán)(32)通過楔形塊鎖緊。
2.按照權利要求1所述臥式半連續(xù)真空吸鑄爐，其特征在于所述吸鑄管路(13)上的安裝一吸鑄控制閥(14)。
3.按照權利要求1所述的臥式半連續(xù)真空吸鑄爐，其特征在于所述真空系統(tǒng)(26)分別與熔煉室(1)、吸鑄室(11)、真空蓄勢罐(19)、合金加料斗(16)相連，分別或同時抽真空。
4.按照權利要求1所述的臥式半連續(xù)真空吸鑄爐，其特征在于所述鋼液測溫系統(tǒng)包括電驅動升降的非接觸式紅外測溫裝置(7)及插入接觸式測溫裝置(6)。
5.按照權利要求4所述的臥式半連續(xù)真空吸鑄爐，其特征在于非接觸式紅外測溫裝置(7)安裝于電驅動的升降管內，電驅動的升降管帶水冷，帶水冷的升降管配有吹氣裝置(37)。
6.按照權利要求1所述的臥式半連續(xù)真空吸鑄爐，其特征在于該真空吸鑄爐的控制系統(tǒng)采用PLC人機界面操作的手動或自動控制系統(tǒng)，各種操作過程全部集中于計算機模擬顯示的操作平臺，通過該平臺可動態(tài)對熔煉過程、吸鑄過程、加料過程實施監(jiān)控，同時還讀取并存儲真空度、熔煉溫度、爐內壓力隨時間的變化曲線，每一爐實驗工藝參數都有詳細記錄、儲存，實驗后可隨時查看；在計算機模操作平臺上可手動、自動控制熔煉、吸鑄過程；同時，在已編制的自動控制程序執(zhí)行過程中，可間歇插入臨時特設的手動操作，為較復雜的工藝過程的控制提供方便；另外，還可通過網絡遠程監(jiān)測或控制實驗過程。
7.按照權利要求1所述的臥式半連續(xù)真空吸鑄爐，其特征在于所述感應線圈(33)通過固定爐體(30)上的進電軸(28)與IGBT可調頻電源(27)電連接，該真空吸鑄爐所用的IGBT電源(27)具有在1500～3000Hz感應線圈可調頻率熔煉的特性，熔煉頻率在1500～3000Hz可調。
全文摘要
本發(fā)明涉及真空熔鑄設備的制造技術，具體地說是一種臥式半連續(xù)真空吸鑄爐。真空吸鑄爐主體結構由感應熔煉室、吸鑄室、合金加料斗、紅外及插入式測溫系統(tǒng)、真空蓄勢罐、可調頻IGBT電源、真空抽氣、控制系統(tǒng)、PLC人機界面操作的手動或自動控制系統(tǒng)組成。感應線圈置于熔煉室內，熔煉室由固定爐體和可動爐體兩部分組成，兩者通過氣動鎖緊卡環(huán)進行互鎖，在爐內不泄露進空氣的條件下，實現爐內與吸鑄模壓差最高達3atm的反重力鑄造。本發(fā)明的真空吸鑄爐可在真空、正壓下熔煉合金，并在吸鑄過程中使得熔煉室和吸鑄模間造成指定的壓差，將合金液反重力吸入鑄模中，成型鑄件，通過在較大壓差的吸鑄，有利于薄壁件等成型和補縮。
文檔編號B22D18/06GK1903483SQ20051004694
公開日2007年1月31日 申請日期2005年7月28日 優(yōu)先權日2005年7月28日
發(fā)明者劉奎, 王冬, 馬穎澈, 高明, 李興華, 趙秀娟, 張順南, 李依依 申請人:中國科學院金屬研究所