专利名称：一种电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉的制作方法
技术领域：
本实用新型属高氮钢、高温合金等特种材料的精密铸造领域，尤其涉及一种可扩展的多功能电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，它通过在真空或充气加压的条件下进行中频感应熔炼、浇注、离心旋转、电磁搅拌、快速冷却等工艺过程来制备多种精密铸件。
背景技术：
常规真空感应炉在熔炼特种合金时，很难保证熔液中高蒸气压合金元素的成份准确，以及高氮含量钢种的氮含量。同时，为减少熔炼时活泼元素与耐火氧化物坩埚材料之间产生的强烈物理化学反应，通常向真空感应炉内充入一定量的保护气体(如小于0.1MPa的IS气)，由于充气压力低，这种冶金工艺存在很大的局限性。近年来，随着镍资源逐渐变得匮乏，国内外对高氮钢的研究日益深入。高氮不锈钢在镍使用量很少的条件下，各项性能指标达到或超过高镍不锈钢，具有高强度和高韧性。而高氮钢的获得通常是在0.2 2.0MPa的氮气气氛条件下进行的，但是更高的充气压力受到现有的设计水平限制。航空航天领域的快速发展得益于精密铸造技术的日趋成熟，从整体的涡轮转子到复杂的涡轮壳等均可采用精密铸造成型技术，这样不仅可以大幅改善部件的机械性能和可靠性，减少部件的重量，还能提高生产效率，降低成本。目前，大尺寸薄壁整体精密铸件的回转半径一般在200mm以上，壁厚可以达到2mm以下，浇注量大于500kg，而且对晶粒尺寸进行了有效控制，获得了无枝晶组织，通过后续热等静压技术，使铸件的综合力学性能大幅提闻。
实用新型内容本实用新型旨在克服现有技术的不足之处而提供一种可生产高氮钢、高温合金等材料铸锭及精密铸件的电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，其可减少活泼元素与坩埚材料之间的物理化学反应，保证高蒸气压合金元素的成份准确，对于异形精密铸件的充型及补缩效果理想，并可细化晶粒，进行半固态铸造。为解决上述技术问题，本实用新型是这样实现的。一种电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，它包括炉体、炉门、炉盖、感应器、加料机构、离心转动机构、电磁搅拌器、真空系统、充气加压系统及中频电源；所述炉盖与炉体顶部大开孔接管法兰对接；所述炉门配于炉体正面；所述真空系统的抽空接管端口与炉体腔体相通；所述加料机构设于炉盖之上；所述感应器置于炉体腔体中部区域，其电源输入端与中频电源的电源输出端相接；在所述炉体与炉门及炉盖的对接面设有锁紧机构；所述充气加压系统的充气加压端口与真空系统的工作腔体相通；所述离心转动机构的转动执行单元位于感应器的下部，其周围布设电磁搅拌器。作为一种优选方案，本实用新型所述离心转动机构包括转动执行单元及动力源；所述转动执行单元包括载物盘、离心盘、支撑座及回转轴；所述载物盘、支撑座及离心盘分别与回转轴的端部固定相接；所述动力源的动力输出端经配接于炉体上的动密封与回转轴的端部固定相接。作为另一种优选方案，本实用新型所述锁紧机构包括电动推杆、自动安全销、齿啮式齿圈及行程开关；所述电动推杆的工作端与齿啮式齿圈的外壁固定铰接，以实现齿啮式齿圈的自动回转；炉门及炉盖密封锁紧时，其端盖法兰齿的侧面与齿啮式齿圈的侧面相互啮合；所述自动安全销及行程开关分别设于炉门与炉盖之上。进一步地，本实用新型在所述炉盖上固定设有测温装置，以实现对炉体内熔液的温度测量。更进一步地，本实用新型在所述炉体上固定设有升降液压缸；所述升降液压缸的工作臂与炉盖固定相接。另外，本实用新型在真空系统的压力管道部分还可设有安全泄爆装置。其次，本实用新型在所述炉体内可设有机械搅拌叶轮。本实用新型可在真空或加压的条件下，熔炼高氮钢及高温合金等特殊材料，也可完成后续的离心或重力浇注等功能，与现有技术相比本实用新型具有如下优点。1、具有真空和加压双重功能，以保证高氮钢、高温合金等铸件的成份准确。本实用新型通过电动推杆、自动安全销、齿啮式齿圈及行程开关等结构组合设计，使锁紧机构确保加压功能的可靠实现，满足了高蒸气压合金元素的成份准确，以及高氮钢中的氮含量
1.2%)要求。同时，本实用新型可有效减少活泼元素与坩埚材料之间的物理化学反应。2、具有电磁搅拌离心铸造功能，可以对离心盘的旋转方向、转速、换向频率、以及运行时间进行设定，以满足铸件的充型及补缩效果，同时电磁搅拌器可以细化晶粒组织，进行半固态铸造工艺实施。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步说明。本实用新型的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为本实用新型整体结构示意图。图2为本实用新型真空系统及充气加压系统整体结构示意图。图3为本实用新型炉盖与炉体顶部大开孔接管法兰对接结构示意图。图4为本实用新型离心转动机构的结构示意图。图5为本实用新型锁紧机构结构示意图。图6为本实用新型锁紧机构中自动安全销及行程开关结构示意图。图中:1、炉体；2、炉门；3、炉盖；4、感应器；5、加料机构；6、测温装置；7、离心转动机构；704、回转轴；705、支撑座；706、离心盘；707、载物盘；8、电磁搅拌器；9、真空系统；10、充气加压系统；11、液压系统；1101、升降液压缸；12、中频电源；13、电气控制系统；14、操作平台；15、铰链机构；16、锁紧机构；1601、电动推杆；1602、自动安全销；1603、齿啮式齿圈；1604、行程开关；17、抽空接管。
具体实施方式
如图所示，电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，它包括炉体1、炉门2、炉盖3、感应器4、加料机构5、离心转动机构7、电磁搅拌器8、真空系统9、充气加压系统10及中频电源12 ;所述炉盖3与炉体I顶部大开孔接管法兰对接；所述炉门2配于炉体I正面；所述真空系统9的抽空接管端口与炉体I腔体相通；所述加料机构5设于炉盖3之上；所述感应器4置于炉体I腔体中部区域，其电源输入端与中频电源12的电源输出端相接；在所述炉体I与炉门2及炉盖3的对接面设有锁紧机构16 ;所述充气加压系统10的充气加压端口与真空系统9的工作腔体相通；所述离心转动机构7的转动执行单元位于感应器4的下部，其周围布设电磁搅拌器8。参见图4所示，本实用新型所述离心转动机构7包括转动执行单元及动力源；所述转动执行单元包括载物盘707、离心盘706、支撑座705及回转轴704 ;所述载物盘707、支撑座705及离心盘706分别与回转轴704的端部固定相接；所述动力源的动力输出端经配接于炉体I上的动密封703与回转轴704的端部固定相接。参见图5及图6所示,本实用新型所述锁紧机构包括电动推杆1601、自动安全销1602、齿啮式齿圈1603及行程开关1604 ;所述电动推杆16_1的工作端与齿啮式齿圈1603的外壁固定铰接，以实现齿啮式齿圈1603的自动回转；炉门2及炉盖3密封锁紧时，其端盖法兰齿的侧面与齿啮式齿圈1603的侧面相互啮合；所述自动安全销1602及行程开关1604分别设于炉门2与炉盖3之上。参见
图1所示，本实用新型在所述炉盖3上固定设有测温装置6，以实现对炉体I内熔液的温度测量。参见
图1及图3所示，本实用新型在所述炉体I上固定设有升降液压缸1101 ;所述升降液压缸1101的工作臂与炉盖3固定相接。本实用新型在真空系统9的压力管道部分还设有安全泄爆装置。本实用新型在所述炉体I内设有机械搅拌叶轮。参见
图1及图2所示，在具体设计时，本实用新型真空熔铸炉系统采用卧式结构，其主要包括炉体1、炉门2、炉盖3、感应器4、加料机构5、测温装置6、离心转动机构7、电磁搅拌器8、真空系统9、充气加压系统10、液压系统11、中频电源12、电气控制系统13、操作平台14等组成部分；炉体I顶部的大开孔接管法兰与炉盖3对接，正面的炉体法兰与炉门2对接，炉体I后部经抽空接管17与真空系统9相联，侧方经充气接管与充气加压系统10相联；炉盖3上设置加料机构5和测温装置6，位于炉体I腔体中部区域(内部偏上方)的感应器4通过水冷导电轴与中频电源12相接，感应器4下方设置离心转动机构7，周围设置电磁搅拌器8 ;炉盖3通过升降液压缸1101实现与大开孔接管法兰对接，炉门2通过铰链机构15实现与炉体法兰对接。炉门2及炉盖3与炉体I的对接面均采用锁紧机构16实现真空或加压(6.0Mpa)条件下的炉体密封，加料机构5及测温装置6与炉盖3的联接亦可以保证对接面的密封条件，以实现炉体I内部真空或加压(6.0Mpa)条件下的密封要求,离心转动机构7能够进行可更改的运行工艺。参见
图1及图3所示，本实用新型炉体I大开孔(开孔率大于0.5)接管为感应器4内坩埚制备，日常维修，以及加料和测温等功能实现的主要场所，整个炉体焊接结构严格按照压力容器进行设计制造，采用特有的方式对大开孔接管进行补强。参见图4所示，本实用新型离心转动机构7主要由电机701、减速机702、动密封703、回转轴704、支撑座705、离心盘706及载物盘707等组成。其中，电机701与减速机702直联，输出轴与回转轴704相连接，回转轴704通过动密封703装置将动力引入炉体I内部，并带动离心盘706和载物盘707旋转。通过电气控制系统13，可以对离心盘的旋转方向、转速、换向频率、以及运行时间进行设定，以满足铸件的充型及补缩效果，同时电磁搅拌器8可以细化晶粒组织，进行半固态铸造工艺实施。离心盘706的转速提升至300r/min稳定运行IOs后，要在2s之内降至Or/min,这会在烧铸材料内部会产生很大的周向力；同时，电磁搅拌器8的搅拌力矩的加载方向也要在2s之内变换到反方向，这同样会产生很大的法向力。这使得液固两相产生显著的立体空间的相对运动，枝晶的折断、破碎等“剪切效应”更加明显，达到细化晶粒的目的。通过这种工艺获得的精密铸件的晶粒直径可达0.3_，不到普通方法获得晶粒直径的1/10，细化晶粒效果明显。参见图5所示，本实用新型锁紧机构16主要由电动推杆1601、自动安全销1602、齿啮式齿圈1603以及行程开关1604组成。炉体I内部建立真空环境后，齿啮式齿圈1603在电动推杆1601带动下回转一定角度，到位后，由行程开关1604控制，完成炉门2和炉盖13的自动锁紧与密封，同时，在电气逻辑程序的控制下，自动安全销1602进行机械限位，防止误操作带来危险，保证炉体I内部充气加压安全性和可靠性。本实用新型所述的电动推杆1601具有传动机构,传感测量驱动机构，以及过载抱闸装置，完成齿啮式齿圈1603的自动回转与定位动作的准确和可靠实现。传动机构采用曲面的蜗轮蜗杆形式，接触面积大，动力传递平稳，旋升角小，自锁功能可靠，以免误动作时发生危险。本实用新型系统可采用卧式结构，其布局紧凑，方便操作维修，除离心转动机构，其余部分均在地面上方。本实用新型的工作原理如下。本实用新型炉体I内部空间由真空系统9建立一定真空度后，由锁紧机构16将炉门2和炉盖3与炉体I可靠密封，以满足炉体I内部真空或加压(6.0Mpa)条件下的密封要求。启动中频电源12，向经过整体绝缘处理后的感应器4输送功率，利用中频感应加热原理，将感应器4内坩埚承载的炉料加热熔化。本实用新型在真空或加压的条件下，采用加料机构5向感应器4内坩埚加合金料，或者通过测温装置6测量熔液的温度。考虑到设备的扩展性，通过设备升级，还可以完成取样、顶部输送氧气等功能。整个过程可通过炉体I上的两个观察窗进行全程监视。在完成合金成分调整及熔液温度与中频电源输送功率的调整后，利用液压系统11带动感应器4，经由过渡装置向离心转动机构7上的模具内浇注熔液，同时还可以利用电磁搅拌器8，使液固两相产生相对运动，引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的目的。而且还能够使晶粒球化，获得流动性很好的半固态金属，进行半固态铸造。离心转动机构7和电磁搅拌器8的双重功能使得铸件的晶相组织结构优化，材料性能进一步得到提高。随着电磁搅拌器8的电参数调整，改变电磁力的强度，可以对搅拌工艺进行优化。为实现薄壁件的精密铸造，本实用新型离心转动机构7可以对离心盘706的旋转方向、转速、换向频率、以及运行时间进行设定。本实用新型的最高转速为300r/min，转速可调，可进行正反转换向。特殊的动密封703设计，可以满足真空或加压(6.0Mpa)条件下的密封要求。除采用电机与减速机的传动方式外，还可以选用液压马达的传动方式对离心盘706的旋转方向、转速、换向频率等参数进行控制。本实用新型充气加压系统10可以完成不高于6.0Mpa任意压力条件下的快速充气要求。为提高设备运行安全性能，除在炉体I上设有安全阀之外，在真空系统9的压力管道部分还设有安全泄爆装置，在炉内压力升高时快速泄压，保证人员和设备安全。本实用新型浇注工艺完成后，可切断中频电源12，通过真空系统9和充气加压系统10将炉体内的压力调整到真空状态下。冷却过程结束后，打开锁紧机构16，炉体内的真空环境破除后，炉门2和炉盖3均可安全打开，进行后续操作。此外，通过炉体I上的预留接口还可以加装机械搅拌叶轮，实现对模具进行快速冷却工艺。通过本实用新型可以制备生产高氮钢、高温合金等材料的铸锭及精密铸件，能够减少活泼元素与坩埚材料之间的物理化学反应，保证高蒸气压合金元素的成份准确。同时，适合于精密铸件的生产，活获得细化的晶粒组织。可以理解地是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，包括炉体(I)、炉门(2)、炉盖(3)、感应器(4)、加料机构(5)、离心转动机构(7)、电磁搅拌器(8)、真空系统(9)、充气加压系统(10)及中频电源(12);其特征在于，所述炉盖(3)与炉体(I)顶部大开孔接管法兰对接；所述炉门(2)配于炉体(I)正面；所述真空系统(9)的抽空接管端口与炉体(I)腔体相通；所述加料机构(5)设于炉盖(3)之上；所述感应器(4)置于炉体(I)腔体中部区域，其电源输入端与中频电源(12)的电源输出端相接；在所述炉体(I)与炉门(2)及炉盖(3)的对接面设有锁紧机构(16);所述充气加压系统(10)的充气加压端口与真空系统(9)的工作腔体相通；所述离心转动机构(7)的转动执行单元位于感应器(4)的下部，其周围布设电磁搅拌器(8)。
2.根据权利要求1所述的电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，其特征在于:所述离心转动机构(7)包括转动执行单元及动力源；所述转动执行单元包括载物盘(707)、离心盘(706),支撑座(705)及回转轴(704);所述载物盘(707)、支撑座(705)及离心盘(706)分别与回转轴(704)的端部固定相接；所述动力源的动力输出端经配接于炉体(I)上的动密封(703)与回转轴(704)的端部固定相接。
3.根据权利要求2所述的电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，其特征在于:所述锁紧机构(16)包括电动推杆(1601)、自动安全销(1602)、齿啮式齿圈(1603)及行程开关(1604);所述电动推杆(1601)的工作端与齿啮式齿圈(1603)的外壁固定铰接，以实现齿啮式齿圈(1603 )的自动回转；炉门(2 )及炉盖(3 )密封锁紧时，其端盖法兰齿的侧面与齿啮式齿圈(1603)的侧面相互啮合；所述自动安全销(1602)及行程开关(1604)分别设于炉门(2)与炉盖(3)之上。
4.根据权利要求3所述的电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，其特征在于:在所述炉盖(3)上固定设有测温装置(6)，以实现对炉体(I)内熔液的温度测量。
5.根据权利要求4所述的电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，其特征在于:在所述炉体(I)上固定设有升降液压缸(1101);所述升降液压缸(1101)的工作臂与炉盖(3)固定相接。
6.根据权利要求5所述的电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，其特征在于:在真空系统(9)的压力管道部分设有安全泄爆装置。
7.根据权利要求1 6之任一所述的电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，其特征在于:在所述炉体(I)内设有机械搅拌叶轮。
8.根据权利要求6所述的电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，其特征在于:所述离心盘(706)的转速满足如下规律:升至300r/min,勻速转动IOs后，于2s之内降至Or/min。
专利摘要本实用新型公开一种电磁搅拌加压离心大开孔真空熔铸炉，它包括炉体(1)、炉门(2)、炉盖(3)、感应器(4)、加料机构(5)、离心转动机构(7)、电磁搅拌器(8)、真空系统(9)、充气加压系统(10)及中频电源(12)；真空系统(9)的抽空接管端口与炉体(1)腔体相通；感应器(4)置于炉体(1)腔体内，其电源输入端与中频电源(12)的电源输出端相接；在炉体(1)与炉门(2)及炉盖(3)的对接面设有锁紧机构；离心转动机构(7)的转动执行单元周围布设电磁搅拌器(8)。本实用新型可生产高氮钢、高温合金等材料铸锭及精密铸件，其可保证高蒸气压合金元素的成份准确，对于异形精密铸件的充型及补缩效果理想。
文档编号B22D17/00GK203044872SQ20132002830
公开日2013年7月10日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者宋青竹, 张哲魁, 孙足来 申请人:沈阳真空技术研究所