壳模烧结装置的制作方法

本实用新型涉及精密铸造工艺，特别涉及一种壳模烧结装置。

背景技术：

精密铸造是相对于传统铸造工艺而言的一种铸造方法，它能够获得相对准确的形状和较高的铸造精度。精密铸造的工艺过程为：首先，制作蜡模，该蜡模与所需铸造的产品大小形状相一致；然后，在所制作的蜡模表面形成陶壳；随后，对所述陶壳进行脱蜡处理(将其内部的蜡模熔化后去除)；之后，在高温下烧结陶壳；最后，向烧结后的陶壳内浇注金属材料，待金属材料冷却凝固后，破碎去除所述陶壳，得到的铸件即为所需的产品。

在上述工艺过程中，陶壳的制作至关重要，它的质量好坏决定了铸件的优劣。目前，陶壳制作通常采用的方法为：壳模法，具体地常采用水溶性硅溶胶制壳法，该方法在制作陶壳时，是使用耐火材料配制不同的浆料与砂，一层浆一层砂逐渐一层层的堆集在蜡模表面，制成所需要厚度的陶壳。然后，将制得的陶壳干燥、脱蜡并放入烧结炉内于900～1400℃下高温烧结。由于烧结是壳模制作必不可少的一步环节，因此，烧结的好坏直接影响到壳模质量，以及最终铸件的质量。

发明人的在先申请CN105903898A公开了一种壳模烧结方法及使用该方法的烧结装置，其采用分段式加热方法，将壳模烧结过程分为了烧蜡阶段和烧结阶段，烧蜡阶段保证烧结环境内有充足的氧与蜡进行充分燃烧反应，使得制得的壳模内几乎不存在因为残蜡碳化形成的残碳，避免了因此产生的浇注时的钢水喷溅问题及铸件有穿入性气孔的问题。同时，在烧结阶段尽可能降低烧结环境内的氧浓度，避免了壳模内的碳粉在烧结阶段就完全燃烧完，致使壳模浇注钢水时发生严重的模壁反应现象。

发明人在进一步的研究过程中发现，该在先申请在一定程度上仍然存在以下问题：

1、在烧蜡阶段(要求高氧低温)，其维持烧结炉内有充足的氧含量(即高氧)，炉内温度为600℃～800℃(相对于烧结温度来说属于低温)，维持时间为5～20min，在此条件下，由于氧含量充足、炉内温度较高且维持时间较长，所以壳模中所加入的碳粉仍有可能部分被燃烧消耗掉，从而减弱了碳粉对壳模的保护作用，仍会在一定程度上发生模壁反应；

2、在烧结阶段(要求低氧高温)，其是通过关闭鼓风装置和排风烟道的方式来控制烧结炉内为低氧或无氧环境，然而在烧蜡阶段结束时，由于烧结炉内的氧含量仍处于较高水平，这些残留的氧在烧结阶段仍会继续消耗壳模中所加入的碳粉，进一步减弱了碳粉对壳模的保护作用，增加了模壁反应发生的几率。

此外，在壳模的连续化生产中，第一炉壳模从烧结炉中取出后，炉内温度大约在900℃左右，当放入第二炉壳模时，炉内温度仍会较高，当对第二炉壳模进行烧蜡时，一旦壳模温度升高，在高氧环境下，壳模中所加入的碳粉就有可能会开始被陆续燃烧消耗，所以有必要缩短烧蜡阶段的时间(缩短高氧的时间)，并尽可能的使得在烧蜡阶段结束后烧结炉内尽快由高氧变为低氧或无氧环境，以减少壳模中所加入的碳粉的消耗。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种壳模烧结装置，其能够大大缩短烧蜡阶段的时间，并且使得在烧蜡阶段结束后烧结炉内尽快由高氧变为低氧或无氧环境，减少壳模中所加入的碳粉的消耗。

为解决上述技术问题，本实用新型提供技术方案如下：

一方面，提供一种壳模烧结装置，包括烧结内腔，所述烧结内腔内设置有壳模放置平台和加热装置，所述烧结内腔的一端设置有封闭门，所述烧结内腔的另一端设置有烟气出口，所述烟气出口连接有排风烟道，其中：

所述壳模烧结装置为电热炉，所述壳模放置平台的上表面设置有多排凹槽，所述凹槽沿所述烧结内腔的长度方向延伸，所述凹槽的宽度小于待烧结壳模的浇口杯的直径；

所述烧结内腔设置所述烟气出口的一端内侧在与所述壳模放置平台相对应的位置设置有用于提供空气的第一进气管，所述第一进气管连接有鼓风装置，所述第一进气管上设置有方向朝向所述凹槽的第一喷嘴；

所述烧结内腔内还设置有用于提供可燃性气体或液体的第二喷嘴；

所述烟气出口的高度高于所述壳模放置平台的高度。

进一步的，所述烧结内腔设置所述烟气出口的一端内侧在与所述壳模放置平台相对应的位置还设置有用于提供可燃性气体或液体的第二进气管，所述第二喷嘴位于所述第二进气管上且方向朝向所述凹槽。

进一步的，所述凹槽的至少一个侧壁的中部均匀设置有若干挡风板，各挡风板的长度沿所述烧结内腔从内至外的方向依次变长。

进一步的，所述挡风板的末端为弧形引风部。

进一步的，沿所述烧结内腔从内至外的方向所述挡风板上部向后倾斜，倾斜的角度为1-10°。

进一步的，所述烧结内腔设置所述封闭门的一端内侧在与所述壳模放置平台相对应的位置设置有落砂收集槽，所述落砂收集槽沿所述烧结内腔的宽度方向延伸。

进一步的，所述烟气出口和排风烟道之间设置有二次燃烧炉，所述二次燃烧炉内设置有用于提供空气的第三喷嘴和用于提供可燃性气体或液体的第四喷嘴，所述烟气出口为朝向所述二次燃烧炉的收缩结构。

进一步的，所述二次燃烧炉内的温度为1200℃以上，所述二次燃烧炉的氧含量为25％以上。

进一步的，所述二次燃烧炉内在与所述排风烟道连接处设置有陶瓷海绵式过滤器。

进一步的，所述第一进气管连接有金属预热管路，所述金属预热管路设置在所述二次燃烧炉内。

进一步的，所述烧结内腔内设置有温度感应模块和氧浓度监测模块。

另一方面，提供一种利用上述壳模烧结装置进行壳模烧结的方法，包括：

步骤1：将待烧结的壳模倒扣放置在烧结内腔内的壳模放置平台上，关闭封闭门；

步骤2：开启加热装置、鼓风装置和排风烟道，使烧结内腔内有充足的氧含量，升温至壳模用蜡的燃烧温度，并维持烧结内腔内温度直至壳模内的残留的蜡完全烧尽；

步骤3：开启喷嘴，使烧结内腔内为低氧或无氧环境，升温至壳模的烧结温度并维持烧结内腔内温度为壳模的烧结温度，直至壳模烧结完毕。

进一步的，所述步骤2中，当检测到所述烧结内腔内的氧含量在一定时间内不降低时，转至执行所述步骤3。

进一步的，所述步骤2中，开启加热装置、鼓风装置和排风装置，使所述烧结内腔的氧含量在16～20％；所述步骤3中，开启喷嘴，使所述烧结内腔的氧含量在5％以下。

进一步的，所述步骤2中，所述壳模用蜡的燃烧温度为600℃～800℃，所述维持烧结炉内温度的维持时间为3min以内；所述步骤3中，所述壳模的烧结温度为1150～1400℃，所述维持烧结炉内温度的维持时间为10～30min。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型调整了壳模放置平台上凹槽的方向，并合理布置了用于提供空气的第一喷嘴的位置，使得烧结内腔内能够形成循环气流，提高了加热效率，并且第一喷嘴的位置设计能够在壳模内部带动形成气流，在烧蜡阶段能够为蜡燃烧带来足够的氧气，使蜡能够更快速的燃烧完，从而能够大大缩短烧蜡阶段的时间；本实用新型还在烧结内腔中设置有喷嘴，在烧蜡阶段结束后，该喷嘴可喷出可燃性气体或液体，通过燃烧来消耗烧结内腔中的氧气，从而达到迅速降低烧结内腔中氧含量的目的，使得在烧蜡阶段结束后烧结炉内尽快由高氧变为低氧或无氧环境。即使在壳模的连续化生产中，本实用新型也能确保壳模中所加入的碳粉没有被燃烧消耗，确保了壳模的质量，从而提高了铸件的品质。采用本实用新型能够生产出精度足够高的铸件，使得后续无需或仅需较少的精加工即可达到需要的铸件精度，降低了次品、废品率，提高了生产效率，大大降低了生产成本。

附图说明

图1为本实用新型的壳模烧结装置的一个实施例的结构示意图；

图2为图1中壳模放置平台A-A向剖面结构示意图；

图3为图1中壳模放置平台的一个凹槽的一种结构方式的俯视结构示意图；

图4为图1中壳模放置平台的一个凹槽的另一结构方式的俯视结构示意图；

图5为图3所示凹槽的带有挡风板的侧壁的正面结构示意图；

图6为本实用新型的壳模烧结装置的另一实施例的结构示意图；

图7为本实用新型的壳模烧结方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本实用新型提供一种壳模烧结装置，如图1-5所示，包括烧结内腔1，烧结内腔1内设置有壳模放置平台2和加热装置(未示出)，烧结内腔1的一端设置有封闭门3，烧结内腔1的另一端设置有烟气出口4，烟气出口4连接有排风烟道5，其中：

壳模烧结装置为电热炉，壳模放置平台2的上表面设置有多排凹槽21，凹槽21沿烧结内腔1的长度方向(即图1中的左右方向)延伸，凹槽21的宽度小于待烧结壳模的浇口杯8的直径；

烧结内腔1设置烟气出口4的一端内侧在与壳模放置平台2相对应的位置设置有用于提供空气的第一进气管6，第一进气管6连接有鼓风装置(未示出)，第一进气管6上设置有方向朝向凹槽21的第一喷嘴61；

烧结内腔1内还设置有用于提供可燃性气体或液体(如瓦斯、酒精等)的第二喷嘴71；

烟气出口4的高度高于壳模放置平台2的高度，一般来说高度差可以为5-20cm，本领域技术人员还可根据实际情况灵活调整。

发明人在研究过程中发现，现有技术中烧结炉主要分为两种，第一种是电热炉，其缺点在于：1、通过炉内在三个侧面布置的电热管加热，只有热辐射加热，热量不均匀，效率不佳；2、电热炉多为封闭式，不通风无对流，氧含量不充足，难以提供烧蜡阶段所需的高氧环境；第二种是燃气/燃油炉，其缺点在于：1、虽然有通风对流，但由于是依赖燃气/燃油来加热，消耗了大部分氧气，故也经常存在烧蜡阶段氧含量不足的缺陷；2、如果加大供氧量的话，则在烧结阶段又容易导致壳模中所加入的碳粉被燃烧消耗掉。

本实用新型的有益效果在于：

1、在现有电热炉的基础上，并结合发明人的在先申请，调整了壳模放置平台2上凹槽21的方向，并合理布置了用于提供空气的第一喷嘴61的位置，使得烧结内腔1内能够形成循环气流，提高了加热效率，具体说明如下：

电热炉上引入了鼓风装置，可以搅动炉内的空气，解决了电热炉只有热辐射，效率不佳的缺点，因鼓风搅动炉内的空气，创造了热对流，热传导和热辐射的最佳传热条件，充分把电热管的热快速均匀传到壳模上，增加加热效率节省能源，缩短烧结所需的时间，增加生产效率；

各图中箭头均表示气流流动方向。本实用新型中所形成的循环气流方向如图1所示，本实用新型相对于发明人的在先申请来说，气流方向更加合理，加热效率更高。

而且，凹槽21沿烧结内腔1的长度方向延伸，这种设置方式有利于将烧结过程中产生的落砂清理出来(既利于人工清砂，也利于利用进风气流自动清砂)。

2、本实用新型中，用于提供空气的第一进气管6上设置有方向朝向凹槽21的第一喷嘴61，由于待烧结的壳模倒扣放置在壳模放置平台2上，正好位于凹槽21的上方，这样随着第一喷嘴61的进气气流的流动，会在壳模内部带动形成气流，好处在于：一是在烧蜡阶段能够为蜡燃烧带来足够的氧气，使蜡能够更快速的燃烧完，二是在烧结阶段能够减小壳模的内外温差(本实用新型中壳模内外温差可低至5℃以内)，从而避免由于内外温差导致的在烧结过程中壳模内外膨胀量不同会在壳模上出现细裂纹的问题，进而避免了铸件的表面产生向外突出的毛边或凸水纹/凹水纹的问题；

3、凹槽21的宽度小于待烧结壳模的浇口杯8的直径，这样可以使壳模平稳的放置在壳模放置平台2上，不滑落/歪倒在凹槽21中，从而不会粘附烧结过程中掉落的落砂，确保铸件不会产生沙孔；

4、烧结内腔1设置有用于提供可燃性气体或液体的第二喷嘴71，在烧蜡阶段结束后，该第二喷嘴71可喷出可燃性气体或液体，通过燃烧来消耗烧结内腔1中的氧气，从而达到迅速降低烧结内腔1中氧含量的目的。

综上，本实用新型调整了壳模放置平台上凹槽的方向，并合理布置了用于提供空气的第一喷嘴的位置，使得烧结内腔内能够形成循环气流，提高了加热效率，并且第一喷嘴的位置设计能够在壳模内部带动形成气流，在烧蜡阶段能够为蜡燃烧带来足够的氧气，使蜡能够更快速的燃烧完，从而能够大大缩短烧蜡阶段的时间；本实用新型还在烧结内腔中设置有喷嘴，在烧蜡阶段结束后，该喷嘴可喷出可燃性气体或液体，通过燃烧来消耗烧结内腔中的氧气，从而达到迅速降低烧结内腔中氧含量的目的，使得在烧蜡阶段结束后烧结炉内尽快由高氧变为低氧或无氧环境。即使在壳模的连续化生产中，本实用新型也能确保壳模中所加入的碳粉没有被燃烧消耗，确保了壳模的质量，从而提高了铸件的品质。采用本实用新型能够生产出精度足够高的铸件，使得后续无需或仅需较少的精加工即可达到需要的铸件精度，降低了次品、废品率，提高了生产效率，大大降低了生产成本。

如图1所示，优选的，烧结内腔1设置烟气出口4的一端内侧在与壳模放置平台2相对应的位置还设置有用于提供可燃性气体或液体的第二进气管7，第二喷嘴71位于第二进气管7上且方向朝向凹槽21。

该第二喷嘴71的位置设计(方向朝向凹槽21)能够使凹槽21成为火道，使得其既能将壳模外部的氧气快速消耗掉，也能直接将壳模内部的氧气快速消耗掉，进一步提高了除氧的速度。而且如果壳模内残留有因未完全脱出的蜡在高温低氧环境下碳化所形成的残碳，则第二喷嘴71的这种位置设计也能够将该残碳吹走，从而提高壳模的质量。

本实用新型中，壳模放置平台2上的凹槽21可以为各种形状，如U形、梯形、三角形等，图2所示实施例为三角形凹槽，该实施例中，为增加落砂的容纳量，凹槽的底部还增设了半圆形凹陷24。

如图2-3所示，凹槽21的至少一个侧壁的中部优选均匀设置有若干挡风板22，各挡风板22的长度沿烧结内腔1从内至外的方向依次变长，在图3中可以看到，越靠近左侧(烧结内腔1的封闭门3方向)，挡风板的长度越长。这样的好处在于，当进气气流流过时，挡风板可以将一部分风阻挡下来并引至位于上方的壳模的浇口杯内，增大了壳模内的气流量。为了提高引风效果，如图3所示，挡风板22的末端可以为弧形引风部221。

需要说明的是，挡风板22设置在凹槽21侧壁的中部，下端不向下延伸，这样进气气流仍可沿整个凹槽下方流动，从而可以将烧结过程中掉落的落砂吹出至封闭门侧。如图2所示，各挡风板的高度可以相同，仅长度不同即可。另外，挡风板既可以设计在凹槽的一个侧壁上(如图3所示)，也可以设计在凹槽的两个侧壁上(如图4所示)。可以理解的是，凹槽和挡风板的尺寸和个数等具体参数，本领域技术人员均可以根据实际需要灵活设定，此处不再举例赘述。

如图5所示，优选的，沿烧结内腔1从内至外的方向挡风板22上部向后倾斜，倾斜的角度(即挡风板与竖向方向的夹角)α可以为1-10°。这样，将有更多的风被接引进入壳模内部，进一步增大了壳模内的气流量。

本实用新型中，烧结内腔1设置封闭门3的一端内侧在与壳模放置平台2相对应的位置优选设置有落砂收集槽9，落砂收集槽9沿烧结内腔1的宽度方向延伸，以便于定期收集落砂。在烧结装置停机时，还可以借助于鼓风装置强力送风通过第一进气管和第一喷嘴进行吹砂，将凹槽内的落砂吹到落砂收集槽中，以方便集中清理。

作为本实用新型的进一步改进，如图6所示，烟气出口4和排风烟道5之间设置有二次燃烧炉10，二次燃烧炉10内设置有用于提供空气的第三喷嘴11和用于提供可燃性气体或液体的第四喷嘴12，烟气出口4为朝向二次燃烧炉10的收缩结构。

在烧蜡过程中，容易产生黑烟，这是由于燃烧不充分，烟气中夹杂有炭灰粉导致的，该二次燃烧炉能够提供高温足氧的环境从而燃烧消耗掉该夹杂的炭灰粉，避免黑烟，使得最后排出的烟气符合环保要求。而烟气出口为朝向二次燃烧炉的收缩结构，则可以有效避免二次燃烧炉内的带氧气流反吹至烧结内腔中影响壳模的质量。

优选的，该二次燃烧炉10为高温高氧环境，优选其内温度为1200℃以上，氧含量为25％以上。进一步的，二次燃烧炉10内在与排风烟道5连接处设置有陶瓷海绵式过滤器13，以吸附没来得及燃烧的炭灰粉，由于该陶瓷海绵式过滤器13位于二次燃烧炉10中，所以被吸附的炭灰粉稍后仍可在二次燃烧炉10的高温高氧环境下燃烧转变为气体排出。

本实用新型中，由于第一进气管6是将外部空气引入烧结内腔1中，为避免室外空气带来降温的不利影响，优选的，第一进气管6连接有金属预热管路(未示出)，该金属预热管路可以采用金属盘管，该金属预热管路可以设置在二次燃烧炉10内，以充分利用炉内的余热。另外，烧结内腔1内优选设置有温度感应模块和氧浓度监测模块，以实时监测炉内情况，并及时进行相应的控制。

另一方面，本实用新型还提供一种利用上述的壳模烧结装置进行壳模烧结的方法，如图7所示，包括：

步骤S1：将待烧结的壳模倒扣放置在烧结内腔内的壳模放置平台上，关闭封闭门；

步骤S2：开启加热装置、鼓风装置和排风烟道，使烧结内腔内有充足的氧含量，升温至壳模用蜡的燃烧温度，并维持烧结内腔内温度直至壳模内的残留的蜡完全烧尽；

由于在氧含量为16.5％时，炭即可较为充分的燃烧，故此处优选通过控制鼓风装置和排风烟道，使烧结内腔的氧含量在16～20％；壳模用蜡的燃烧温度优选为600℃～800℃，维持烧结炉内温度的维持时间为3min以内即可。

步骤S3：开启喷嘴，使烧结内腔内为低氧或无氧环境，升温至壳模的烧结温度并维持烧结内腔内温度为壳模的烧结温度，直至壳模烧结完毕。

本步骤中，开启喷嘴后，喷嘴喷出可燃性气体或液体，通过燃烧来消耗烧结内腔中的氧气，从而达到迅速降低烧结内腔中氧含量的目的，来实现低氧或无氧环境；而升温至壳模的烧结温度是通过电热炉自身的电热管来实现。相对于在先申请，本实用新型不关闭鼓风装置和排风烟道(仅需根据烧结阶段所要求的高温低氧环境适当调节鼓风装置和排风烟道的开启大小即可)，从而使烧结内腔内仍然形成有循环气流，可以搅动炉内的空气，维持较高的加热效率。

本步骤中，低氧是指烧结内腔的氧含量在5％以下。壳模的烧结温度可以为1150～1400℃，维持烧结炉内温度的维持时间可以为10～30min。

由于本实用新型的烧结内腔内有循环气流，浇口杯内也形成有气流，故本实用新型可在较短的时间内(3min以内)将蜡完全烧除，并且可在1min内使烧结内腔中氧含量从16-20％降低至5％以下，还可以在较短的时间内(10～30min)将壳模烧结完毕。对于一般的壳模，现有技术通常需要45min以上才能完成整个烧结过程，并且还会存在如在先申请和本案的背景技中所提及的诸多缺陷；而本实用新型则可以在20min内完成烧结，并且确保了壳模的质量，提高了铸件的品质。

发明人在研究过程中进一步发现，由于烧结过程分为烧蜡阶段和烧结阶段，烧蜡阶段保持低温高氧，烧结阶段保持高温低氧，两个阶段准确、快速切换才能确保最终壳模的质量，所以切换的时机选择非常重要。对此，发明人研究发现，优选在步骤2中，当检测到烧结内腔内的氧含量在一定时间内(如3-5s内)不降低时(此时说明壳模内残留的蜡已燃烧完毕，烧结内腔中氧气不再被消耗)，转至执行步骤3，开始烧结阶段。该切换准确，没有误判。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。