一种用于真空熔炼设备中的顺序凝固工艺装置及方法与流程

本发明涉及铸造设备与方法
技术领域：
，更特别地说，是指一种用于真空熔炼设备中的顺序凝固工艺装置及方法。
背景技术：
：在超高温材料的生产过程中，为保证所生产的材料具有优异的质量水平，必须严格控制化学成分和提高纯净度，而这主要取决于熔炼技术。真空熔炼技术是超高温材料熔炼的一种关键技术。在合金液浇注成型的过程中，当溶液浇入锭模后，与锭模型壁接触的液体先凝固，中心部分液体后凝固。由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现空洞。容积大而集中的孔洞称为缩孔；细小而分散的孔洞称为缩松。在铸件的生产过程中，缩孔、缩松等缺陷是制约铸件生产的一大问题，直接影响到铸件的质量与工艺出品率，而工艺出品率是影响铸件成本的一大重要因素。为了防止这些缺陷，往往通过设置冒口加强金属液的补缩，并通过设置冷铁形成局部激冷区，尽量使金属液在凝固过程中实现顺序凝固。但在实际生产过程中，由于某些合金的凝固收缩率大，或是由于铸件的长径比比较大，而使得浇注过程中形成的自生温度梯度并不能完全消除缩孔，造成工艺出品率低，大量的原材料被浪费的结果。形成缩孔缩松的根本原因是合金棒料或铸锭在凝固时，侧壁传热形成的横向凝固速度和底部散热形成的纵向凝固速度不同，侧壁的横向凝固速度大于底部的纵向凝固速度，导致固液界面推进形成的固液界面角角度过小，并且侧壁与棒料的接触面积大，棒料纵截面上，侧壁到中心的距离不变，因而各位置的横向凝固速度也几乎不变。但随着棒料由下而上的凝固过程进行，纵向凝固需要散失的热量需要经由已凝固区域传出，随着已凝固区域的增加，散热变慢，纵向凝固速度也逐步变慢，因而导致固液界面角进一步变小，最终在棒料中心位置形成细长的最后凝固区域，上方金属液补缩能力不够，导致中心缩孔缩松的产生。因而要想消除中心缩孔缩松，一方面需要加强冒口的补缩效果，另一方面需要合理设置冷却装置，尽可能增大固液界面角，实现金属液自下而上的顺序凝固。为了尽可能增大固液界面角，在传统工艺中，也有通过在锭模的侧部或底部，以外加水冷或风冷等冷却的方法来给金属液外加一定的温度梯度，以加快金属液凝固，但对于施加侧部冷却的方式，其首先冷却的是锭模侧壁，只能减少总凝固时间，对固液界面角的扩大作用没有帮助，甚至会进一步减小固液界面角。而对于底部冷却的方式，往往是通过冷却底部所有区域，这样不仅会提高棒料中心的纵向凝固速度，同时也冷却了锭模侧壁，提高了棒料的横向凝固速度，对固液界面角的扩大作用不明显。可见，目前暂未有人公布过基于冒口加热设计与冷铁补缩设计的用于真空熔炼设备中的顺序凝固工艺装置及方法。技术实现要素：为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于真空熔炼设备中的顺序凝固工艺装置及方法，目的在于保证真空熔炼设备内的高真空条件下，通过外加感应加热装置，加热冒口中金属液的温度，控制冒口的凝固时间大于铸件被补缩部分的凝固时间，使冒口与被补缩部位之间始终保持畅通的补缩通道，保证补缩效果；同时通过外加的冷却装置作用于锭模底座底部的中心局部位置施加冷却，加强底部激冷的效果，增大固液界面角，实现自下而上的顺序凝固，达到消除缩孔、缩松缺陷，提高铸件质量和工艺出品率的目的。本发明完整的技术方案包括：一种用于真空熔炼设备中的顺序凝固工艺装置，包括真空熔炼设备、锭模、冒口加热装置和激冷装置。所述的真空熔炼设备炉壁处开有四个孔，两个孔为一组，共两组。其中一组装有进线孔套，进线孔套的中部是供水冷铜管通过的中心通孔，进线孔套上设有外螺纹，通过螺纹连接固定于真空熔炼设备炉壁上。另一组装有进线管，进线管中部是供冷却物质进出的通道，进线管上设有外螺纹，通过螺纹连接，固定于真空熔炼设备炉壁上。所述锭模分为上下两部分，上部呈由下向上直径逐渐变大的喇叭口，为冒口段；下部为直径相同的锭模段，锭模段外套有一端封闭的圆柱桶作为底座。金属液在所述锭模中凝固后，形成铸件。所述的冒口加热装置包括感应加热线圈、转用管、连接件、水冷铜管和进线孔套。感应加热线圈设于上述锭模的冒口段外，感应加热线圈的尾端焊有转用管，转用管上套有用连接件，可与水冷铜管通过螺纹进线连接。水冷铜管固定于进线孔套的中心通孔中，一端与感应加热线圈相连，另一端与感应加热电源相连。所述的激冷装置包括冷却装置、进水口、出水口、波纹管和进线管。冷却装置设于上述锭模底座的底部中心处，所述的底部冷却装置的冷却区域小于铸件在锭模底部处的横截面积。进水口与出水口的一端与冷却装置相连，另一端与通过波纹管上的螺母与波纹管相连，波纹管的另一端通过波纹管上的螺母与进线管相连，进线管的另一端连接有冷却物质的输入通道。本发明中，所述的感应加热线圈与冒口中应填充有隔热材料，用于保护感应线圈不受热辐射导致损坏。本发明中，所述的冷却装置为水冷装置、风冷装置或水雾冷装置中的一种。本发明中，所述的铸件为铸棒，所述的底部冷却装置的冷却区域的中心与铸棒横截面的中心重合，且冷却区域小于铸棒横截面积。本发明中，所述冷却区域的面积为铸棒横截面积的30％-60％。本发明中，所述的底座底部为分体结构，其中与底部冷却装置相接触的部位采用可拆卸更换的部件。本发明中，所述的锭模为绝缘材料制成。采用上述用于真空熔炼设备中的顺序凝固工艺方法，包括如下步骤：步骤一：关闭炉盖抽真空前，设置底座底部的冷却装置，所述的冷却装置的冷却区域小于铸件在铸型底部处的横截面积；设置锭模，锭模在放置于真空熔炼设备前需进行预热，防止金属液浇入锭模后冷速过快，造成补缩通道消失，锭模的冒口段外设置感应加热线圈，并在感应加热线圈与冒口段之间填充隔热材料；步骤二：关闭炉盖抽真空，进行熔炼。金属液浇注前，打开感应加热线圈的电源，并启动底部冷却装置；步骤三：浇注合金液，由于步骤一启动了底部的冷却装置，底部冷却装置对锭模底部的冷却作用，增大了固液界面角；同时由于步骤一打开了感应加热线圈的电源，所以在冒口处的金属液会受到线圈感应加热的作用，不会立刻凝固，保证了补缩通道及补缩液的存在；步骤四：随着凝固过程的进行，逐渐减小感应加热线圈的供电功率，完成顺序凝固过程。优选的，所述步骤四中，随着凝固过程进行，逐步增大底部冷却装置的冷却强度。优选的，所述的冷却装置为水冷装置、风冷装置或水雾冷装置中的一种。优选的，所述的铸件为铸棒，所述的底部冷却装置的冷却区域的中心与铸棒横截面的中心重合，所述冷却区域的面积为铸棒横截面积的30％-60％。本发明设计的用于真空熔炼设备中的顺序凝固工艺装置及方法的优点在于：(1)本发明保证了在真空中进行熔炼与浇注的工艺条件，即在冒口加热及底部冷却的过程中，不破坏真空熔炼设备的真空度，不用移除冒口上方的过滤网和感应线圈内的导电发热套。(2)本发明采用铸型底部设有的冷却区域小于铸件在铸型底部处的横截面积的底部冷却装置，在铸件凝固时对底部施加冷却，由于冷却区域小于铸件在铸型底部处的横截面积，因而铸锭中央部位的冷却强度更大，铸件侧部的冷却强度较小，增大了铸件的纵向凝固速度，使固液界面角进一步增大，实现了顺序凝固的条件。(3)本发明所述的冒口加热装置与真空熔炼设备之间拆卸方便，可根据不同的浇注要求更换线圈或拆卸线圈，不影响真空熔炼设备的正常使用。同时本发明利用导电发热套，在浇注前对冒口进行预热，防止金属液与冒口接触时受到的激冷作用，保证了冒口中金属液的补缩效率。(4)本发明所述的冷却装置与真空熔炼设备之间拆卸方便，可根据不同的锭模要求更换冷却装置，不影响真空熔炼设备的正常使用。(5)本发明结合感应加热原理，辐射传热原理、变压器的阻抗匹配原理和金属熔液的顺序凝固原理，在浇注前和浇注后对冒口内的环境和金属熔液进行加热，控制冒口的凝固时间大于铸件被补缩部分的凝固时间，使冒口与被补缩部位之间始终保持畅通的补缩通道，保证了补缩效果，消除了缩孔、缩孔缺陷，提高了工艺出品率。(6)本发明所述的铸造冒口加热装置，电源箱采用igbt感应加热电源，具有准确的频率跟踪功能，可以保证加热过程中的功率供给。同时，电源箱配有多匝比的匹配变压器，可根据感应线圈的大小、匝数和尺寸的变化，调整匹配变压器的匝数比，保证电源与负载之间的阻抗匹配，防止因阻抗不匹配导致的功率不足。(7)本发明所述的铸造冒口加热装置，电源采用超音频，一方面保证了感应加热的热量输出，另一方面避免了中频电源在作业中所产生的噪音污染。附图说明图1是本发明用于真空熔炼设备中的顺序凝固工艺装置的结构图。图2是本发明改进后的铸造设备冒口加热装置的结构图。图2a是本发明改进后的铸造设备冒口加热装置另一视角的结构图。图2b是本发明未装配真空熔炼设备的炉壁的铸造设备冒口加热装置的结构图。图3是本发明过滤器、感应加热线圈与锭模的冒口段之间的装配位置图。图4是本发明锭模的结构图。图4a是本发明锭模的a-a剖视图。图5是本发明a进线孔套的结构图。图5a是本发明a进线孔套的另一视角结构图。图6是采用本发明装置和方法制得的试样的照片。图7是采用常规装置和方法制得的试样的照片。1.底座1-1.氧化镁砂2.过滤器2a.过滤网2b.底部面板3.感应加热线圈3-1.硅酸铝纤维毡4.导电发热套5.锭模5a.冒口段5b.锭模段5c.锭模开口6a.a转用管6b.b转用管7a.a进线孔套7b.b进线孔套7c.c螺母7d.d螺母8a.a水冷铜管8b.b水冷铜管9a.a连接件9b.b连接件10.真空熔炼设备10a.a螺母10b.b螺母10c.炉体壁20.电源控制箱30.变压器40.坩埚40a.金属液具体实施方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。参见图1所示，一种能够实现高工艺出品率的用于真空熔炼设备中的顺序凝固工艺装置，是在现有真空熔炼设备中增加了如图2所示的冒口加热装置；因此，一种用于真空熔炼设备中的顺序凝固工艺装置，至少包括有真空熔炼设备、锭模、冒口加热装置和激冷装置。所述的真空熔炼设备10的炉壁10c处开有四个孔，两个孔为一组，共两组。其中一组装有进线孔套，进线孔套的中部是供水冷铜管通过的中心通孔，进线孔套上设有外螺纹，通过螺纹连接固定于真空熔炼设备炉壁上。另一组装有进线管，进线管中部是供冷却物质进出的通道，进线管上设有外螺纹，通过螺纹连接，固定于真空熔炼设备的炉壁上。所述的激冷装置包括冷却装置、进水口、出水口、波纹管和进线管。冷却装置设于上述底座1的底部中心处，位于底座底部的冷却装置的冷却区域小于铸件在锭模5底部处的横截面积。进水口与出水口的一端与冷却装置相连，另一端与通过波纹管上的螺母与波纹管相连，波纹管的另一端通过波纹管上的螺母与进线管相连，进线管的另一端连接有冷却物质的输入通道。冷却装置为水冷装置、风冷装置或水雾冷装置中的一种。所述的底部冷却装置的冷却区域的中心与铸棒横截面的中心重合，且冷却区域小于铸棒横截面积。所述冷却区域的面积为铸棒横截面积的30％-60％。在本发明中，通过增加的本发明冒口加热装置能够满足真空熔炼对熔炼环境真空度的要求以及对浇注时过滤器的要求，同时，安装在炉内的感应加热线圈3拆卸方便，可根据不同的浇注要求更换感应加热线圈3或拆卸感应加热线圈3，不影响真空熔炼设备的正常使用。在图1中，电源控制箱20通过电缆与变压器30连接，水冷铜管(8a、8b)的一端连接在变压器30上，水冷铜管(8a、8b)的另一端穿过进线孔套(7a、7b)后通过连接件(9a、9b)与转用管(6a、6b)连接，转用管(6a、6b)连接在感应加热线圈3上。进线孔套(7a、7b)通过螺母(10a、10b)固定在真空熔炼设备的炉体壁10c上。底座1安装在真空熔炼设备10的炉内，且锭模5置于底座1内，锭模5的上端是过滤器2，过滤器2的开口与坩埚40在上下方向上保持一致，能够使坩埚40内的金属液40a在浇注过程中经过滤器2进入锭模5的锭模段内。在本发明中，设置在锭模5外部的底座1属于现有真空熔炼设备中的设备。为了使锭模5通过平稳的支撑起锭模，在底座1内填充了氧化镁砂1－1(图3中未示出锭模5的外壁与底座1的内壁之间填充的氧化镁砂)。底座1的底部可以设计为分体结构，其中与底部冷却装置相接触的部位采用可拆卸更换的部件。参见图1、图2、图2a、图2b所示，本发明设计的一种用于真空熔炼设备中的顺序凝固工艺的冒口加热装置，冒口加热装置包括有过滤器2、感应加热线圈3、导电发热套4、锭模5、转用管(6a、6b)、进线孔套(7a、7b)、水冷铜管(8a、8b)、以及用于感应加热线圈3两端与水冷铜管(8a、8b)连接的连接件(9a、9b)。连接在感应加热线圈3一端的称为a路连接组件，连接在感应加热线圈3另一端的称为b路连接组件。如图2、图2a、图2b所示a路连接组件的有a转用管6a、a连接件9a、a水冷铜管8a、a进线孔套7a。如图2、图2a、图2b所示b路连接组件的有b转用管6b、b连接件9b、b水冷铜管8b、b进线孔套7b。在本发明中，连接件(9a、9b)为铜质的带有内螺纹的螺母。过滤器2参见图2所示，过滤器2为圆柱或锥形结构体。过滤器2的底部面板2b中心安装有过滤网2a。所述过滤网2a为氧化铝陶瓷、氧化钇陶瓷材质加工。过滤网2a为平板结构，其上设有供熔体流过的通孔。感应加热线圈3参见图2、图2a、图2b、图3所示，感应加热线圈3为螺旋方式缠绕在导电发热套4的外部，且在导电发热套4的外壁与感应加热线圈3之间填充有隔热材料，用于保护感应线圈不受热辐射导致损坏，该隔热材料是硅酸铝纤维毡3－1。在本发明中，若未设置导电发热套4，也可以在感应加热线圈3与锭模5的冒口段5a外壁之间填充有隔热材料，用于保护感应线圈不受热辐射导致损坏。导电发热套4参见图1、图3所示，导电发热套4为空心圆柱结构，是设置在锭模5的冒口段5a上。在本发明中，导电发热套4的发热温度需达到1900℃以上，导电发热套4所采用的导电材料一般为石墨、高温钼或钨。锭模5参见图3、图4所示，锭模5是用于熔体浇注后形成铸锭的模具。锭模5为一体结构件。锭模5上设有冒口段5a和锭模段5b；冒口段5a为锥形，锭模段5b为圆形；熔体经锭模开口5c经冒口段5a注入到锭模段5b中，经冷却后得到铸锭。在本发明中，冒口5的冒口段5a外壁安装有导电发热套4，导电发热套4设置在感应加热线圈3与冒口5的冒口段5a之间。通过感应加热线圈3对该导电发热套4的加热，使导电发热套4内的温度在浇注前即可达到一个高值，保证浇注时冒口的预热效果，防止在浇注瞬间冒口5的冒口段5a中金属液温度大幅下降导致的凝固。在浇注完成后，通过该导电发热套4对冒口(5)的冒口段5a中的熔液进行加热，使其温度保持在熔点以上，待全部补缩后再停止加热。整个加热过程中，冒口5的冒口段5a的热量全部为导电发热套4的辐射导热所传递。参见图4a所示，锭模5的内层5-1为氧化钇，外层5-2为莫来石。进线孔套(7a、7b)参见图5、图5a所示，a进线孔套7a为一体结构件。a进线孔套7a的中部是供a水冷铜管8a通过的中心通孔7a-1；a进线孔套7a上设有ga套接段7a-2(其上设有外螺纹)、gb套接段7a-3和a套管本体7a-4；所述a套管本体7a-4的一端设有用于放置一密封垫圈的ga凹槽7a-41，所述a套管本体7a-4的另一端设有用于放置另一密封垫圈的gb凹槽7a-42；所述ga套接段7a-2上连接有a螺母10c；所述gb套接段7a-3套接在真空熔炼设备的炉体壁10c上。连接关系：a进线孔套7a的ga套接段7a-2通过a螺母10a固定在真空熔炼设备的炉体壁10c上；a进线孔套7a的a套管本体7a-4的另一端安装有ga端盖7a-5，ga端盖7a-5的外部螺纹连接有c螺母7c，通过c螺母7c实现a水冷铜管8a与a进线孔套7a的固定；b进线孔套7b的gc套接段7b-2通过b螺母10b固定在真空熔炼设备的炉体壁10c上；b进线孔套7b的b套管本体7b-4的另一端安装有gb端盖7b-5，gb端盖7b-5的外部螺纹连接有d螺母7d，通过d螺母7d实现b水冷铜管8b与b进线孔套7b的固定；感应加热线圈3螺旋套接在锭模5的冒口段上，感应加热线圈3的一端通过a连接件9a与a水冷铜管8a的一端连接，a水冷铜管8a的另一端穿过a进线孔套7a的中心通孔7a-1后，连接在变压器30上。感应加热线圈3的另一端通过b连接件9b与b水冷铜管8b的一端连接，b水冷铜管8b的另一端穿过b进线孔套7b的中心通孔后，连接在变压器30上。实施例1如图1所示的本发明改进真空熔炼设备，采用真空感应炉熔炼镍基高温合金，对其在氧化钇锭模中进行浇注，具体方法如下：步骤一：关闭炉盖抽真空前，设置水冷铜盘为冷却装置，将其放置于真空感应炉内，水冷铜盘的上表面积为铸棒横截面积的40％，水冷铜盘两侧分别接进水口和出水口，铜盘内设有冷却水通道；将氧化钇陶瓷锭模预热到900℃后放置在底座中，锭模的冒口段最大内径为120mm，最小内径为100mm，锭模段内径为100mm。将底座与锭模放置于水冷铜盘上，并使水冷铜盘的中心与锭模的中心重合，并将感应加热线圈放置在冒口外，感应加热线圈内径为140mm，匝间距为5mm，并在感应加热线圈与冒口之间填充硅酸铝纤维毡。步骤二：关闭炉盖抽真空至1×10-1pa，进行熔炼。金属液浇注前，打开感应加热线圈的电源，使其功率达到15kw，并开启冷却水。步骤三：浇注合金液，由于步骤一启动了底部的冷却装置，底部冷却装置对锭模底部的冷却作用，增大了固液界面角；同时由于步骤一打开了感应加热线圈的电源，所以在冒口处的金属液会受到线圈感应加热的作用，不会立刻凝固，保证了补缩通道及补缩液的存在；步骤四：保持5min后，将感应加热电源的功率降至10kw，同时逐步增大底部水冷铜盘的冷却强度，继续保持5min后，断电，完成浇注过程。将实施例1制得的试样用照相机拍了照片，如图6所示。图中，端面无明显缩孔。图7所示为采用常规装置，且将氧化钇陶瓷锭模预热到900℃后进行浇注，完成浇注过程后，取样，照相机拍了照片，出现大的缩孔。实施例2如图1所示的本发明改进真空熔炼设备，采用真空感应炉熔炼镍基高温合金，对其在氧化镁锭模中进行浇注，具体方法如下：步骤一：关闭炉盖抽真空前，设置水冷铜盘为冷却装置，将其放置于真空感应炉内，水冷铜盘的上表面积为铸棒横截面积的50％，水冷铜盘两侧分别接进水口和出水口，铜盘内设有冷却水通道；将氧化镁陶瓷锭模预热到420℃后放置在底座中，锭模的冒口段最大内径为110mm，最小内径为90mm，锭模段内径为90mm。将底座与锭模放置于水冷铜盘上，并使水冷铜盘的中心与锭模的中心重合，并将感应加热线圈放置在冒口外，感应加热线圈内径为130mm，匝间距为3mm，并在感应加热线圈与冒口之间填充硅酸铝纤维毡。步骤二：关闭炉盖抽真空至2×10-1pa，进行熔炼。金属液浇注前，打开感应加热线圈的电源，使其功率达到12kw，并开启冷却水。步骤三：浇注合金液，由于步骤一启动了底部的冷却装置，底部冷却装置对锭模底部的冷却作用，增大了固液界面角；同时由于步骤一打开了感应加热线圈的电源，所以在冒口处的金属液会受到线圈感应加热的作用，不会立刻凝固，保证了补缩通道及补缩液的存在；步骤四：保持5min后，将感应加热电源的功率降至8kw，同时逐步增大底部水冷铜盘的冷却强度，继续保持5min后，断电，完成浇注过程。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。本发明是一种用于真空熔炼设备中的顺序凝固工艺装置及方法，所要解决的是如何改善真空熔炼出现的缩孔缺陷技术问题。本发明的技术手段是，在保证真空熔炼设备内的高真空条件下，通过外加感应加热装置，加热冒口中金属液的温度，控制冒口的凝固时间大于铸件被补缩部分的凝固时间，使冒口与被补缩部位之间始终保持畅通的补缩通道，保证补缩效果；同时通过外加的冷却装置作用于锭模底座底部的中心局部位置施加冷却，加强底部激冷的效果，增大固液界面角，实现自下而上的顺序凝固，达到消除缩孔、缩松缺陷，提高铸件质量和工艺出品率的目的。当前第1页12