真空熔炼炉及其熔炼方法与流程

本发明涉及3d打印增材制造和冶金技术领域，具体涉及一种真空熔炼炉及其熔炼方法。

背景技术：

金属粉末是材料产业的重要分支，利用金属粉末，可以制备出高性能的金属构件。近年来，随着3d打印技术的发展，工业领域对金属粉末的需求更为迫切，而适用于3d打印的金属粉末，必须具备高纯度、低氧含量等特点。因此，作为制备金属粉末的重要工序，真空熔炼成为3d打印金属粉末制备工序环节的首选。

目前，高压气雾化法是制备3d打印金属粉末的常规方法之一，带有坩埚的高压气雾化具有设备投入小、单炉产量高、生产成本相对较低的特点，适用于大部分金属粉末的制备。然而，现行的带有坩埚高压气雾化法在实际生产中仍存在以下不足：

1、熔炼坩埚不能连续补料，完成一炉粉末制备，需要重新完成装料、抽真空、反充保护气体等工序，生产效率低。

2、每制一炉粉，中间包因残余金属液凝固其中而报废，也即一炉一套，而反充的保护气体也是一炉一充，耗材及气体消耗量大，生产成本高。

3、重新装料需等待坩埚降温，耗能费时。

4、单炉投料量有限，产能有限。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种高效、节能的真空熔炼炉及其熔炼方法。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供了一种真空熔炼炉，该真空熔炼炉包括熔炼室和设置在所述熔炼室的上方、并与所述熔炼室连通的补料室，所述熔炼室内设有熔炼坩埚和中间包坩埚，所述熔炼坩埚用于向所述中间包坩埚内浇注熔融金属液，且所述熔炼坩埚浇注熔融金属液的量可调；所述补料室内设有补料坩埚，所述补料坩埚由第一驱动机构带动翻转，且所述补料坩埚的翻转角度可调。

优选的，所述第一驱动机构包括基座、连杆和伸缩缸，所述伸缩缸设置在所述补料室的顶部，所述伸缩缸的活塞杆向下伸缩，所述连杆的一端与所述活塞杆铰接、另一端与所述补料坩埚的中上部铰接，所述基座设置在所述补料室的下部的一侧，所述补料坩埚的下部的一侧与所述基座铰接。

优选的，所述熔炼坩埚由第二驱动机构带动翻转。

优选的，所述第二驱动机构包括主轴和手柄，所述主轴的一端与所述手柄连接，另一端穿过所述熔炼室的侧壁、并与所述熔炼坩埚连接。

优选的，所述第二驱动机构还包括所述电机和变速箱，所述电机通过所述变速箱与所述主轴传动连接；所述变速箱具有拨叉，所述拨叉用于控制所述变速箱内的齿轮与所述电机上的齿轮之间的离合。

优选的，所述中间包坩埚的容积为所述熔炼坩埚的容积的25％至35％。

优选的，所述中间包坩埚的底部设有喷嘴。

优选的，所述熔炼室与所述补料室之间设有可开闭的闸板。

本发明还提供了一种真空熔炼炉的熔炼方法，该方法为：熔炼坩埚将其内部的金属料坯加热至熔融状态后，将熔炼坩埚内的部分熔融金属液浇注到中间包坩埚中，然后向熔炼坩埚内剩余的熔融金属液中加入金属料坯继续熔炼。

优选的，熔炼坩埚每次浇注后内部剩余2/3以上的熔融金属液。

(三)有益效果

本发明提供真空熔炼炉及其熔炼方法，通过将熔炼坩埚的浇注量设为可调，从而可在熔炼坩埚熔炼结束后，选择性的将其内部的部分熔融金属液浇注到中间包坩埚中，而在其内部剩余部分熔融金属液；再通过在熔炼室上方的补料室内设置翻转角度可调的补料坩埚，由此可与熔炼坩埚浇注量相适应的向其内部补入金属料坯，由此在不打开熔炼室和补料室的前提下实现多次熔炼和补料，尽可能的避免了热量的损失，加快了熔炼效率；另外，由于在向熔炼坩埚内补入新的金属料坯后，熔炼坩埚内尚剩余有已熔炼的金属液，所以新补入的金属料坯会浸入到这些剩余的熔融金属液中，再次开始加热时，金属料坯受热更均匀，加热效率更高。

附图说明

图1是本发明实施例的一种真空熔炼炉的示意图；

图2是本发明实施例的真空熔炼炉熔炼过程图一；

图3是本发明实施例的真空熔炼炉熔炼过程图二；

图4是本发明实施例的真空熔炼炉熔炼过程图三；

图5是本发明实施例的真空熔炼炉熔炼过程图四；

图6是本发明实施例的真空熔炼炉熔炼过程图五。

图中：

1、补料室；2、连杆；3、补料坩埚；4、基座；5、闸板；6、手柄；7、主轴；8、密封连接盘；9、熔炼室；10、机械泵；11、罗茨泵；12、扩散泵；13、坩埚支撑；14、熔炼坩埚；15、中间包坩埚；16、伸缩缸；17、第一销轴；18、第二销轴；19、第三销轴；3-1、金属料坯；14-1、熔融金属液；14-2、第一加热部件；14-3、第一保温层；15-1、第二加热部件；15-2、第二保温层；16-1、活塞杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种真空熔炼炉，包括熔炼室9和设置在熔炼室9的上方的补料室1，熔炼室9内设有熔炼坩埚14和中间包坩埚15，熔炼坩埚14用于向中间包坩埚15内浇注熔融金属液，且熔炼坩埚14浇注熔融金属液的量可调，由此可在熔炼坩埚14浇注时选择性的将部分熔融金属液浇注到中间包坩埚15中，而剩余在其内部剩余部分金属液；补料室1内设有补料坩埚3，补料坩埚3由第一驱动机构带动翻转，且补料坩埚3的翻转角度可调，从而可以与熔炼坩埚14每次的浇注量相对应的向熔炼坩埚14内补入新的金属料坯3-1。

熔炼坩埚14的外部同轴缠绕第一加热部件14-2，用于将熔炼坩埚14内的金属料坯加热至熔融状态，该第一加热部件14-2可以是磁感应线圈，也可以是电阻，本实施例采用的是热效率更高的磁感应线圈，且在第一加热部件14-2余熔炼坩埚14之间以及熔炼坩埚14的底部包覆有第一保温层14-3，第一加热部件14-2外部设置有坩埚支撑13，用于将第一加热部件14-2固定到熔炼坩埚14上。

相应的，本发明还提供了一种真空熔炼炉的熔炼方法，该方法为：熔炼坩埚14将其内部的金属料坯3-1加热至熔融状态后，将熔炼坩埚14内的部分熔融金属液浇注到中间包坩埚15中，然后向熔炼坩埚14内剩余的熔融金属液14-1中加入金属料坯3-1、继续熔炼；其中，熔炼坩埚14每次浇注后内部剩余2/3以上的熔融金属液14-1。

在向熔炼坩埚14内补入新的金属料坯3-1后，由于熔炼坩埚14内尚剩余有已熔炼的金属液，所以新补入的金属料坯3-1会浸入到这些剩余的熔融金属液14-1中，再次开始加热时，金属料坯3-1受热更均匀，加热效率更高；另外，由于补料坩埚3每次仅将部分金属料坯3-1补入到熔炼坩埚14中，所以在多次补料和熔炼过程中无需打开炉门，这样熔炼室9内的热量和保护气体不会散失，可以进一步提高熔炼效率；同样也无需反复想熔炼室9内反充保护气体，且多次熔炼后熔炼室9内的含氧量会更低，可在一定程度上提高熔炼质量。

另外，还可以在熔炼室9与补料室1之间可开闭的设置闸板5，闸板5在闭合时在熔炼室9与补料室1之间形成密封，当补料坩埚3经过多次补料而将内部的金属料坯完全倾倒出后，可利用闸板5将补料室1与熔炼室9隔开，在熔炼坩埚14熔炼的同时，打开补料室1的炉门，向补料坩埚3内补充金属料坯，在金属料坯补充完毕后，只需对补料室进行抽真空和反充保护气，这样最大限度的保存了热量和保护气体；待补料室内的气体和压力达到要求后，再打开闸板5，以备向熔炼坩埚内补料。

其中，第一驱动机构可以包括基座4、连杆2和伸缩缸16，伸缩缸16可以选用气缸，设置在补料室1的顶部，可以将伸缩缸16的缸体部分设置在补料室1之外，而伸缩缸16的活塞杆16-1则穿入到补料室1中、并向下伸缩；基座4设置在补料室1的下部的一侧，补料坩埚3的下部的一侧通过第三销轴19与基座4铰接；连杆2的一端通过第一销轴17与活塞杆16-1铰接、另一端通过第二销轴18与补料坩埚3的中上部铰接，这样，当伸缩缸16的活塞杆16-1向下伸缩时，活塞杆16-1便通过连杆2带动补料坩埚3翻转，通过对伸缩缸16伸缩量的控制而实现补料坩埚3翻转角度的调节，最终实现补料量的控制。

熔炼坩埚14由第二驱动机构带动翻转，通过翻转将熔融金属液浇注到中间包坩埚15中；第二驱动机构包括主轴7和手柄6，主轴7的一端与手柄6连接，另一端穿过熔炼室9的侧壁、并与熔炼坩埚14连接，通过手动扳动手柄6来控制熔炼坩埚14的翻转角度，控制浇注量。

主轴上还可设置密封连接盘8，密封连接盘8设置在熔炼室9的外侧、并延伸到熔炼室9与主轴7之间的间隙中，用于在熔炼室9与主轴7之间形成密封。

第二驱动机构还可以包括电机和变速箱，电机通过变速箱与主轴7传动连接；变速箱具有拨叉，拨叉用于控制变速箱内的齿轮与电机上的齿轮之间的离合，由此可以实现熔炼坩埚14的自动翻转，还可以对电机配备plc控制程序，每隔设定时长控制电机旋转设定的角度，由此可以精准、高效的控制浇注量，且在电机出现故障时还可以及时切换为手柄6控制，由此保证熔炼操作持续不间断进行。

中间包坩埚15的容积可以是熔炼坩埚14的容积的25％至35％，这样每次熔炼坩埚14向中间包坩埚15内浇注熔融金属液14-1的量也是25％至35％，以剩余足够量的熔融金属液以浸没新补入的金属料坯3-1。

中间包坩埚15的底部设有喷嘴，喷嘴的孔径在1～5mm，金属液在重力作用下，由喷嘴喷出，形成射流，中间包坩埚15的外部同轴缠绕第二加热部件15-1，中间包坩埚15与第二加热部件15-1之间以及中间包坩埚15底部包覆有第二保温层15-2。由于中间包坩埚15的射流过程需要一定的时间，而在这段时间内，补料坩埚3可以持续向熔炼坩埚14内补料，熔炼坩埚14可以持续不断的高效熔炼，因此在中间包坩埚15射流结束之前，便可以得到熔炼坩埚14的再次浇注，由此实现不间断射流。

具体的，本发明实施例的真空熔炼炉的详细熔炼过程为：

①熔炼坩埚14装料、抽真空、反充保护气体

1.1熔炼坩埚14装料：打开熔炼室9，向熔炼坩埚14内装入金属料坯3-1。

1.2熔炼室9抽真空：启动机械泵10对熔炼室9抽真空，抽至500pa；启动罗茨泵11对熔炼室9抽真空，抽至5pa以下；启动扩散泵12对熔炼室9抽真空，真空抽至6.63×10^-3pa以下；停扩散泵12，关闭机械泵10、罗茨泵11、扩散泵12与熔炼室9连通的闸板5。

1.3熔炼室9反充保护气体：向熔炼室9内充入惰性气体，充入量为0.06mpa。

②熔炼金属

参考图2所示，启动加热装置，开始熔炼金属料坯3-1。第一炉熔炼，金属液熔化均匀后，熔炼坩埚14内装满金属液，中间包内无金属液。

③补料坩埚装料、抽真空、反充保护气体、向中间包倾转浇注，对应图3所示

3.1补料坩埚3装料：打开补料室1，向补料坩埚3内装入金属料坯3-1。

3.2补料室1抽真空：打开机械泵10与补料室1连通的插板阀，抽至500pa；打开罗茨泵11与补料室1连通的插板阀，抽至5pa以下；关闭机械泵10、罗茨泵11与补料室1连通的插板阀。

3.3补料室1反充保护气体：向补料室1内充入惰性气体，充入量为0.06mpa，保持补料室1与熔炼室9炉体内压力相同。

3.4向中间包倾转浇注：扳动旋转操作手柄6，熔炼室9的手柄6、主轴7、加热部件之间为刚性连接，无自由度，不能发生相对转动，主轴7、加热部件将随手柄6从动旋转，进而带动熔炼坩埚14绕主轴7顺时针旋转，将熔化均匀的金属液浇注入中间包坩埚15内。向中间包内浇入金属后，熔炼坩埚14迅速回位，内部剩余2/3以上的金属液。

④熔炼室9补料、中间包形成射流，对应图4所示

4.1熔炼坩埚14补料：打开补料室1与熔炼室9之间的闸板5，使两炉室连通，启动气缸，使活塞杆16-1伸长，带动连杆2向下运动，补料坩埚3绕第三销轴19顺时间旋转。旋转到位后，补给金属料坯3-1将填入熔炼坩埚14。补料坩埚3对熔炼坩埚14的补料量与熔炼坩埚14倒入中间包的金属液量相等。

4.2中间包形成射流：浇入中间包的金属液具备一定高度，中间包底部有喷嘴，孔径在1～5mm，金属液在重力作用下，由喷嘴喷出，形成射流。

⑤中间包持续射流、补料熔炼，对应图5所示

5.1中间包持续射流：中间包底部喷嘴孔径较小，金属液形成射流流出将持续一段时间。

5.2补料熔炼：在持续射流这段时间内，由于熔炼坩埚内剩余至少2/3的均匀高温金属熔液，而补料室1补给熔炼坩埚14的母合金在熔炼容积的1/3以下，这部分补给的金属料坯3-1可以得到充分熔炼；如此经过反复浇注和补料后，补料坩埚被清空。

⑥中间包补料、补料坩埚装料、抽真空、反充保护气体，对应图6所示

6.1中间包补料：在中间包内浇入的金属液尚未完全流尽之前，熔炼坩埚14的金属液已经熔化均匀，可以继续向中间包内浇注，补充中间保内金属液。

6.2补料坩埚装料、抽真空、反充保护气体：与此同时补料坩埚可进行装料、抽真空、反充保护气体操作，具体操作如工序③所述，开始循环。

本发明的特点在于通过在熔炼室9顶部增设一种连续补料室1，可实现雾化制粉的熔炼工序金属料坯3-1的连续补给，从而省去单炉生产的重新装料、抽真空、反充保护气体等工序，省时节能，减少气体消耗；同时，连续生产的熔炼，可使炉内的氧化性气氛被进一步去除，惰性环境更好，粉末氧含量指标得以降低；再次，中间包、导流嘴等耗材可以连续使用，改变了每炉一换的消耗，降低了生产成本、提高产能及生产效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。