一种基于中频感应炉的高温熔炼装置的制作方法

本发明涉及烧结熔炼设备，具体涉及一种基于中频感应炉的高温熔炼装置。

背景技术：

感应炉是一种利用电磁感应原理加热导磁物料从而进行熔炼或者热处理的一种设备，导磁材料在感应线圈产生的交变磁场作用下产生涡流，涡流在材料的电阻的作用下会产生热量，从而进行加热使物体温度升高。中频率感应炉具有热效率高，加热速度快，生产环境洁净，污染小，温度容易调节，合金元素烧损少等优点，同时由于电磁搅拌作用的存在，金属熔体的成分和温度均匀，广泛应用于工业生产和科学研究。

在使用感应炉熔炼颗粒状物料时，由于穿过小颗粒物料的磁通量少而导致物料中产生的涡流的感应电动势低，产生的电阻热少。同时，小颗粒物料在保护气体中散热速度快。导致感应炉对小粒物料的熔炼效果并不理想，容易出现熔化不充分，温度波动大，能耗高等诸多问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种高温熔炼装置，该高温熔炼装置可以有效解决小颗粒状金属物料和非金属物料在中频感应炉中熔融不充分或者不熔融的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于中频感应炉的高温熔炼装置，包括炉体和为炉体加热的感应炉线圈，还包括保护管和辅助结构；

所述保护管设置在炉体和感应炉线圈之间，且保护管的轴向长度大于炉体的轴向长度；

炉体：包括石墨坩埚盖子、石墨坩埚、石墨垫片和氧化铝坩埚；

所述石墨坩埚为顶部开口，底部具有通孔的结构；

所述石墨坩埚盖子盖在石墨坩埚的顶部开口上，石墨坩埚盖子上具有中心孔；

所述石墨垫片设置在石墨坩埚内，且位于石墨坩埚的底部，石墨垫片上具有通气孔，该通气孔与石墨坩埚底部上的通孔同轴，保护气体通过通气孔和通孔进入石墨坩埚内；

所述氧化铝坩埚设置在石墨坩埚内，氧化铝坩埚与石墨坩埚松配合，氧化铝坩埚的轴向长度小于石墨坩埚的轴向长度；辅助结构：包括上部气密胶塞、下部气密胶塞、加料管和进气管；

所述上部气密胶塞设置在保护管的顶部，加料管的底部穿过上部气密胶塞与中心孔正对；所述下部气密胶塞设置在保护管的底部，进气管的顶部穿过下部气密胶塞与通孔连通。

作为改进，所述保护管为石英制成。

作为改进，所述石墨坩埚盖子的底部具有限位凸沿，该限位凸沿沿石墨坩埚盖子周向一圈；

所述凸沿的外径小于石墨坩埚的内径。

作为改进，所述石墨垫片由支撑部分和通气部分构成；

所述支撑部分为石墨制成的实体结构，其直径小于石墨坩埚的内径；

所述通气部分包括设置在中心的通气孔和沿通气孔向石墨垫片外边缘延伸的多条进气槽，所述多条进气槽沿石墨垫片周向均匀设置。

作为改进，在石墨坩埚的底部与下部气密胶塞之间的保护管内设有中空环状耐火砖。

相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：

1、使用本高温熔炼装置时石墨坩埚，石墨坩埚盖子和石墨垫片也同时被加热，此时氧化铝坩埚受到来自各个方向的热辐射，保证了样品的熔化和温度的均匀。

2、本发明的一个重要的发明点在于发明了石墨垫片的结构，保护气体进入石墨坩埚之前，先经过石墨垫片上的导流槽预热，避免冷的保护气体直接进入石墨坩埚内部引起石墨坩埚内部温度剧烈波动无法控制温度参数；也避免了因为保护气体对样品的冷却导致样品无法熔解的现象；同时还防止了低温的保护气体直接冲刷氧化铝坩埚造成巨大温差，导致氧化铝坩埚受热不均匀发生破裂，大大提高了实验的安全性。

3、本发明另一个重要的发明点在于将石墨垫片与石墨坩埚组合在一起使用，石墨坩埚，石墨坩埚盖子和石墨垫片都是良好的导磁材料，会在交变磁场产生很大强度的涡流，中达到很高的温度。他们的加入会大大提高交变磁场的利用率，在保证小颗粒状金属物料和非金属物料熔融的同时可以节省大量能源。

4、石墨垫片与下部开有通孔的石墨坩埚的配合使用，使得保护气体会先通过炙热的石墨垫片上的导气槽，保护气体中残余的氧气会和石墨反应而消耗掉（高纯保护气体价格昂贵，且无法保证纯对纯净，保护气中残余的氧气会氧化熔体，产生巨大的影响），不会危害冶金熔体，该设计可保证高温熔体在整个熔融过程中不被氧化污染。

5、本发明提供的高温熔炼装置中保护气最先进入石墨坩埚，石墨坩埚盖子和石墨垫片形成相对封闭的空间，再弥散填充由于上部气密胶塞、石英保护管和下部气密胶塞形成的独立的封闭空间。对高温熔体形成了双重保护，即便出于工艺要求需要中途使用取样器对熔体取样也只会破坏保护管和上下气密胶塞所形成的封闭空间中的保护气氛，石墨坩埚内部依旧持续通有保护气体，不会给熔体造成过大的影响。

附图说明

图1为本发明基于中频感应炉的高温熔炼装置的结构原理图。

图2为石墨垫片的立体结构图。

图3为图2的俯视图。

图4为炉体的内部结构图。

图5为石墨坩埚盖子的纵截面图。

图6为石墨坩埚与石墨坩埚盖子装配后的纵截面图。

图中，加料管1、上部气密胶塞2、保护管3、中心孔4、石墨坩埚盖子5、限位凸沿51、感应炉线圈6、石墨坩埚7、氧化铝坩埚8、石墨垫片10、通孔11、中空环状耐火砖12、下部气密胶塞13、进气管14、支撑部分15、堤板16、进气槽17、通气孔18。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种基于中频感应炉的高温熔炼装置，包括炉体和为炉体加热的感应炉线圈6，其特征在于：还包括保护管3和辅助结构；

所述保护管3由透明的石英材料制成，设置在炉体和感应炉线圈6之间，且保护管3的轴向长度大于炉体的轴向长度；即将炉体设置在保护管3内，感应炉线圈6设置在保护管外，并且感应线圈在保护管3上的位置与炉体对应，保证炉体可以被加热。

实施时，保护管3为石英制成。

炉体：包括石墨坩埚盖子5、石墨坩埚7、石墨垫片10和氧化铝坩埚8；

所述石墨坩埚7为顶部开口，底部具有通孔11的结构；

石墨坩埚7为导磁材料，容易在交变磁场中产生涡流而升高温度，解决了导电率低的物料在中频感应炉中不熔化的问题，石墨坩埚7，石墨坩埚盖子5和石墨垫片10共同组成了相对密闭的空间，保护气体通过进气管14直接进入到该空间对氧化铝坩埚8中的高温熔体9形成了很好的保护。

所述石墨坩埚盖子5盖在石墨坩埚7的顶部开口上，石墨坩埚盖子5上具有中心孔4；该中心孔4可以作为后加物料的入口，还可以是观测口，用于观察石墨坩埚7内物料的熔融状态。

所述石墨垫片10设置在石墨坩埚7内，且位于石墨坩埚7的底部，石墨垫片10上具有通气孔18，该通气孔18与石墨坩埚7底部上的通孔11同轴，保护气体通过通孔11和通气孔18进入石墨坩埚7内；该进气管14用于进入保护气体，保证石墨坩埚7中的无氧环境，防止高温熔体在熔融过程中氧化。

所述氧化铝坩埚8设置在石墨坩埚7内，氧化铝坩埚8与石墨坩埚7松配合，氧化铝坩埚8的轴向长度小于石墨坩埚7的轴向长度；氧化铝坩埚8的外径小于石墨坩埚7的内径。

辅助结构：包括上部气密胶塞2、下部气密胶塞13、加料管1和进气管14；

所述上部气密胶塞2设置在保护管3的顶部，石英加料管1的穿过上部气密胶塞2与中心孔4正对；所述下部气密胶塞13设置在保护管3的底部，进气管14穿过下部气密胶塞13与通孔11连通。上部气密胶塞2和下部气密胶塞13的使用，使得保护管3与上部气密胶塞2和下部气密胶塞13共同形成一个密闭的空间，通入的保护气体除了在石墨坩埚7内部弥漫形成保护外，还会弥漫在上部气密胶塞2、下部气密胶塞13和保护管3所形成的封闭空间中，在石墨坩埚外部形成保护，确保高温熔体得到良好的保护。

加料管1采用石英或刚玉制成，加料管1的底部穿过上部气密胶塞2与中心孔4正对，即加料管1与中心孔4同轴，具体实施时，可以在上部气密胶塞2轴心上打孔，加料管1穿过该孔，加料管1与该孔为紧配合，加料管1离进料及观察口4的距离可以调节。通常在熔融开始前需要先将待熔炼的物料置于氧化铝坩埚8中，实验中途为实现如脱氧、合金化等目的可从加料管1加入如脱氧剂、合金元素等冶金物料。

中心孔4位于石墨坩埚盖子5的圆心上，实验过程中可以为后加入的物料提供通道，也可以通过该中心孔4观察氧化铝坩埚8中物料的熔化情况，实验中途如需取样操作可以打开上部气密胶塞2并使用取样器通过中心孔4抽取冶金熔体样品，中途取样的操作过程中只会破坏保护管3和上下气密胶塞形成的封闭空间中的保护气氛，石墨坩埚7底部依旧持续通有保护气体并为石墨坩埚7内部提供持续的保护，取样过程并不会给熔体造成过大的影响。

保护管3上下两端分别设置有上部气密胶塞2和下部气密胶塞13，上部气密胶塞2和下部气密胶塞13用于保证保护管3内部的保护气体气氛。使用时，可以在下部气密胶塞13的轴心上打孔，进气管14的顶部穿过下部气密胶塞13，再穿过中空环状耐火砖12与通孔11连通，进气管14与下部气密胶塞13轴心上的通孔紧配合。保护气体通过进气管14通入石墨坩埚7内。

使用时，如需对熔体进行测温控温只需要在上部气密胶塞处设置红外测温即可实现，也可以在上部气密胶塞和石墨坩埚盖子上相应的开孔装热电偶实现测温控温功能。

作为改进，所述石墨坩埚盖子5的底部具有限位凸沿51，该限位凸沿51沿石墨坩埚盖子5周向一圈；所述凸沿51的外径小于石墨坩埚7的内径。

石墨坩埚盖子5外径等于石墨坩埚7的外径，石墨坩埚盖子5与石墨坩埚7装配时，凸沿51伸入到石墨坩埚7内，从而可以有效防止石墨坩埚盖子5与石墨坩埚7之间的径向的相对移动。

作为改进，所述石墨垫片10由支撑部分15和通气部分构成；所述支撑部分15为石墨制成的实体结构，所述支撑部分15直径小于石墨坩埚7的内径。

所述通气部分包括设置在中心的通气孔18和沿通气孔18向石墨垫片10外边缘延伸的多条进气槽17，所述多条进气槽17沿石墨垫片10周向均匀设置。该石墨垫片10支撑部分15和通气部分构成，支撑部分15和通气部分为一个整体结构，由石墨制成，整体外部形状为圆形，制作时，先由石墨制成一个圆柱体，然后在圆柱体的中心位置设置通气孔18，该通气口18为盲孔，然后沿通气口18到石墨垫片的外边缘雕刻多个通气槽17，相邻两个通气槽17之间的凸起为堤板16，通气槽17的深度与通气孔18的深度一致。通气槽17沿石墨垫片10径向界面为梯形，多个通气槽17沿石墨垫片10周向均匀设置。使用时，石墨垫片10中的支撑部分15朝向石墨坩埚7内，氧化铝坩埚8放置在支撑部分15上，保护气体进入进气孔18后，再进入多条进气槽17，再由石墨垫片10与石墨坩埚7内壁之间的间隙进入石墨坩埚7内，排出石墨坩埚7内的空气，尽可能保证在氧化铝坩埚8内熔融的金属不被氧化。

在石墨坩埚7的底部与下部气密胶塞13之间的保护管3内设有中空环状耐火砖12。中空环状耐火砖12形成一个平台，将炉体整体放置在该平台上，该种耐火砖由耐热1800摄氏度的泡沫耐火砖加工制成，呈环状，中心设置有用于进气管14的通孔。

该发明使用灵活多变，加热速度快，熔炼产品洁净度高，应用场景多，应用领域广。适合高校，研究院等做科研使用；适用于企业冶炼生产洁净度要求高的优质合金产品；也适用于加热熔炼不导磁的材料如冶金保护渣和玻璃等。

需要说明的是：感应炉线圈6围成的圆柱体的直径略大于保护管3的直径，保护管3的直径大于石墨坩埚7的直径，石墨坩埚7的直径大于氧化铝坩埚8的直径。

本发明高温熔炼装置的组装和使用方法：通常情况下感应炉线圈6是预先固定好的，感应炉线圈6下面具有预先固定好的升降平台，该升降平台上具有用于进气管14穿过的通孔，将进气管14穿过下部气密胶塞13和升降平台上通孔，然后在进气管14上套设中空环状耐火砖12，进气管14的顶部略高于中空环状耐火砖12的顶部。

炉体的安装：将待熔炼的物料装入氧化铝坩埚8后，将装有物料的氧化铝坩埚8放入石墨坩埚7内，氧化铝坩埚8的底部放置在石墨垫片10的支撑部分15上，然后用石墨坩埚盖子5盖住石墨坩埚7顶部的开口。

炉体安装完成后，将炉体放置在上述中空环状耐火砖12的顶部，并且进气管14的顶部与石墨垫片10上的通孔11连通。此时通过中空环状耐火砖12的数量和升降平台来调节炉体的高度，使炉体在竖直方向的位置与感应炉线圈6在竖直方向的位置重合。

然后，使用保护管3从上而下依次将炉体和中空环状耐火砖12套住，最后使保护管3的底部与下部气密胶塞13密封配合。

将加料管1穿过上部气密胶塞2的通孔，然后将上部气密胶塞2设置在保护管3的顶部内，上部气密胶塞2与保护管3的顶部密封配合。调节加料管1的高度，使得加料管1的底部略高于石墨坩埚盖子5，加料管1与石墨坩埚盖子5上的中心孔4同轴设置。

使用之前，先通过进气管14向石墨坩埚7中通入保护气体（主要为惰性气体，比如氩气）排出石墨坩埚7内的空气，保护气体先通过进气管14进入通孔11中，再进入与通孔11同轴且连通的进气孔18中，再进入与进气孔18连通的多条进气槽17中，最后保护气体通过石墨垫片10外边缘与石墨坩埚7内壁之间的间隙进入石墨坩埚7内，对高温熔体9进行保护。另外，保护气体同时会弥漫保护管3和上下气密胶塞形成的封闭空间，在石墨坩埚7外部形成二次保护，通气一段时间后感应炉线圈6通电开始加热。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。