专利名称：炉内电极自动焊接的真空自耗炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及高温金属真空熔炼的专用设备背景技术金属材料是人类赖以生存和发展的物质基础，在各种技术领域特别是高新技术领域，对金属材料的要求越来越高，导致真空熔炼的应用越来越广。目前发达国家广泛采用真空熔炼技术生产各种钢和有色金属合金。
真空熔炼是在真空下高温熔炼提纯金属的方法。常用的真空熔炼方法有真空感应熔炼，真空自耗电极电弧炉熔炼，电子束熔炼等。各种熔炼方法对熔炼合金性能的影响不同。一般来说，真空自耗电极电弧熔炼能提高合金在高温下的塑性；能提高合金的热压力加工的工艺性能；对成品的质量和均匀性起良好的影响。真空自耗电极电弧熔炼和真空感应熔炼成了优质合金熔炼的主要方法之一。真空自耗电极电弧重熔的原理是在真空环境下，金属的电极在电弧的高温作用下迅速熔化并在水冷结晶器内进行再凝固。当液态金属以熔滴的形式从高温的电弧区域向结晶器中转移，在结晶器中保持和凝固，发生一系列的物理化学反应，促使熔融金属得到精炼、净化。真空自耗电极电弧重熔的实质简单说就是借助于电弧的热能把已知化学成份的金属自耗电极在真空状态下进行重熔并在水冷结晶器内成型，以提高其质量的熔炼过程。
工业上常规使用的真空自耗电极电弧炉基本结构如图1所示。
自耗炉由炉体(4)和铜坩锅(11)组成一密闭的熔炼空间。为了自耗电极(7)的升降，炉上部有一套升降机构及密封装置。炉顶部有真空滑动密封(3)，此密封可保证升降杆(2)由炉外进入炉内时不破坏炉内的真空度。升降杆外部一端连按电源负极(16)，另一端安装夹头(5)，炉外部有电极供给机构(1)可带动升降杆上下移动。
升降杆夹头夹持一过渡电极(6)，过渡电极是电极和夹头间的过渡装置，保证电极负电位的电流传输。自耗电极的下端和铜坩锅(11)之间电弧连接。铜坩锅和炉体间有真空静密封(9)，铜坩锅一端装有正极(15)连接装置。铜坩锅外包有水套(12)，冷却水从进水口(14)进，出水口(10)出。形成铸锭(13)的冷却回路。炉体和坩锅由真空滑动密封和真空静密封构成一密闭空间，通过真空接头(8)和炉外的真空系统相连，工作时可使炉内的真空度按工艺要求抽至一定值。
也有不采用铜坩锅而是采用铸锭下引机构，如图2所示。水冷结晶器(20)底部是一活动下引的机构，在结晶器中冷却成型的铸锭(13)在引锭头(17)的牵引下逐渐下行，铸锭长短视活塞杆(18)和油缸(19)的长短定。
简单描述自耗电极电弧炉的工艺过程如下。待重熔的金属先制成电极，和过渡电极牢固焊接，升降杆的夹头将过渡电极夹紧，自耗电极装进炉内后装上铜坩锅，自耗炉密闭，抽真空至定值，升降杆下降将自耗电极送至近坩锅底，坩锅底上放有底垫和起弧剂或只放起弧剂，在空载电压下借助于自耗电极与起弧剂之间暧时接触产生弧光放电进而达到稳定的电弧燃烧，形成一定量的金属熔池。起弧成功后转入正常熔炼。正常熔炼时合理控制电流、电压、熔炼速率和真空度，金属中的气体及低熔点的杂质能得到脱除。
在真空自耗电极电弧重熔工艺中，自耗电极的直径和坩锅直径应有一合理的比例，电极直径太大(接近坩锅直径)影响排气，而且边弧容易烧坏坩锅壁，太小则会使热损失过大，熔池温度不均匀。
为了提高金属铸锭的品质，有采用二次重熔乃至三次重熔的。
国内外使用的真空自耗电极电弧炉有多种结构，但其原理大都相同，区别仅在于尺寸、电极的送进机构、取出铸锭机构及真空系统的布置不同。
电弧炉成品锭的重量取决于自耗电极的重量，工业生产为了能有合理的成品率，希望能有尽可能大的铸锭，这就需要很长的自耗电极，自耗炉炉本体的高度要大于自耗电极的长度，炉外还要有更长一点的操作机构，所以在工业现场为了追求大吨位的成品锭，自耗炉已尽可能的设计成很高的炉体。
为了获得大重量的铸锭，自耗电极直径也必须较粗(否则电极长度超出炉本体可容纳的高度)，坩锅直径相应就更大，大直径的铸锭不利于冷却结晶，对于后道加工，大直径的铸锭也增添了开坯锻造的困难，但是电极的长度和直径决定了成品锭的长度和坩锅的直径，大铸锭结晶的粗大及锻造的困难只能交由下道工序去解决。
所以用结晶器下引锭的方式铸造直径较细结晶较好的长铸锭的工艺在真空自耗电极电弧重熔工艺中很少见。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点而提供一种可用一支支短的自耗电极电弧重熔用下引方式生产大铸锭的新型自耗炉。
本发明的技术方案如下一种炉内电极自动焊接的真空自耗炉，包括炉体、真空罩、熔炼电源、焊接电源、电极送进机构、铸锭引出机构、真空系统、液压系统及相应的电控系统，炉体内装有左右两支机械手，炉底部是结晶器和下引锭机构，底部真空罩和炉体构成一密封空间，其特点是炉本体内装有相同的左右两根立柱、立柱上各套有一支机械手；炉底中部是水冷结晶器、水冷壁、引锭头、引锭杆、引锭杆下部安装引锭驱动机构；立柱一端装有伺服马达和谐波减速器，通过联轴器和升降丝杠相联，丝杠另一端装行星减速机构，通过离合器和立柱相联；炉外送进的熔化电源由结晶器中的引锭头和夹持电极的机械手构成回路，焊接电源叠加在该机械手和另一机械手之间。
真空系统、液压系统、电控系统、水冷系统、熔炼电源、焊接电源在炉外安装，由相应的软管送进炉内连接。
机械手由竖立于炉顶和炉底的立柱、立柱上套着的可升降的机械臂、立柱中的升降丝杆和升降螺母、立柱底部的伺服马达和传动机构组成。
传动机构为谐波减速器，伺服马达通过谐波减速速器、联轴器和丝杠相联，带动升降螺母从而带动机械臂升降。
丝杠另一端通过行星减速机构、离合器和立柱相连，离合器为电磁离合器，离合器接通时升降丝杆带动立柱旋转从而带动机械臂回转。
机械臂由液压缸推动伸长缩短，臂前端安装由液压缸操控可握紧放松的夹持手。
炉底部的水冷结晶器和冷却水套装配成一体，引锭机构由升降油缸操控。
由结晶器下引的已凝固的铸锭从结晶器下部的水冷壁通过，水冷壁为一封闭的空心水套。
升降油缸通过真空罩和炉基础相固联，炉本体下部和真空罩密封，炉盖通过炉盖密封和炉体相密封，本发明和现有的自耗炉相比有以下优点一、本发明采用了炉内自动焊接的自耗电极，两支手轮流夹持着自耗电极，一支电极在熔化时另一支已经夹持第二支电极，第一支电极熔化接近终了时，另一支电极叠加在这支电极的上方，接通焊接电源，二支电极焊合在一起，第二支机械手送上熔化电源，继续结晶器中心的熔炼，不间断。
二、本发明将炉外操控的电极升降机构移至炉内，取消了炉体的动密封，增加了自耗炉的真空度。
三、本发明采用了紧凑的结构，回转立柱兼做机械臂的导向柱，传动丝杠设置在回转立柱中间由回转立柱通过轴承约束，升降套和机械臂用螺纹连接，既可传递丝杠升降动作，又可由立柱带动传递回转动作。伸缩臂套在机械臂中移动，夹持手安装在伸缩臂中动作，大大降低自耗炉的高度。
四、两支机械手最多可擒取8支电极，加上装炉时在中心放置的一支，本发明电极装入量相当原有炉型的9倍，仅炉体直径略大。
五、采用结晶器下引锭方式，适当增长引锭长度，结晶器直径相应较小。有利于铸锭结晶。
六、可减省原有工艺中的电极焊接工序，省去原有电极专用真空焊接装置，省去长电极的运输吊装之劳。
七、调整下部密封罩的高度、引锭油缸的长度而不做其它方面的变动。就可方便的调整炉容量的大小，比如可将500Kg炉放大到5000Kg炉。原有的5吨炉意味着要有5吨重的电极和5吨的成品锭，而现在只需要每支600Kg的电极。现有5吨成品锭较原有的锭直径小，长度长，小截面有利于结晶冷却，也有利于进一步的锻造加工。
图1是常规自耗炉原理示意图。
图2是常规的下引锭铸造示意图。
图3是本发明自耗炉立面示意图。
图4是本发明自耗炉平面布置示意图。
图5是本发明机械臂、立柱、丝杠、螺母示意图。
图6是本发明机械臂的立面示意图。
图7是本发明机械臂平面示意图。
具体实施方案本发明的基本设计思想体现在以下几个方面一、本发明采用了炉内焊接电极工艺。当左机械手夹持一支电极在结晶器中熔炼时，右机械手夹持着另一支电极准备着，在熔炼的电极逐渐变短后，右机械手将下一支电极移至这支电极的上方，下面的电极正常熔化，上面的电极和下面的电极之间送上焊接电源，两根电极焊接，焊接完成后右夹持手送上熔化电源，左夹持手松开、后退、转出，继续去擒取下一支电极。
二、本发明在炉内采用了二支结构相同的机械臂，机械臂套在立柱上，可上下滑动，立柱中间是丝杠，带动升降螺母升降，从而带动机械臂升降。
三、本发明升降回转共用了一根立柱，一根丝杠。机械臂套在立柱上上下滑动，回转时通过行星减速机构输出的动作由已接合的离合器传给立柱，立柱回转带动升降螺母回转从而带动机械臂回转。
四、为充分发挥多电极大重量的优势，本发明采用结晶器下引工艺，从结晶器中出来的成品锭用水冷壁吸收幅射热的方式冷却。
结合上述本发明的基本思想，参阅图3-7，本发明自耗炉系由炉体(4)、真空罩(34)、炉盖(50)构成一密封空间；炉内装有可操控的两套机械手，一套铸锭下引机构；炉外的真空系统通过真空泵接口(8)可将炉内的气压抽至符合工艺要求的真空度；熔炼电源焊接电源通过熔炼电源电缆(44)、左臂电缆(31)、右臂电缆(48)送至炉内。
炉本体由一不锈钢炉体(4)和左右两根立柱(28)构成。立柱底部和顶部分别由底部轴承(32)和顶部轴承(24)固联在炉体上。机械臂(30)套在立柱外，通过滑动轴承和立柱滑动配合。所述的立柱是空心园管，中间安装一根升降丝杠(23)，丝杠底部通过联轴器(35)和驱动装置相联。驱动装置由伺服马达(37)、联轴器和谐波减速器(36)装配组成。丝杠顶部和行星减速机构(21)固联，行星减速机构的输出端和电磁离合器(22)固联，电磁离合器的另一端和立柱固联，电磁离合器处在分开位时，立柱不转动，电磁离合器结合时丝杠的转动可通过行星减速机构传至立柱，带动立柱回转。
空心立柱在上下轴承之间开有一纵向槽，升降丝杠上装有升降螺母(29)，升降螺母形状为一带有输出板的园套，输出板从立柱上开的缝槽伸至立柱外，输出板和缝槽滑动配合。连接板(52)通过螺栓(39)和输出板相联，连接板二端和机械臂相固联，升降螺母上下移动时带动连接板从而带动机械臂上下移动，立柱回转时通过升降螺母的输出板带动连接板从而带动机械臂回转。
机械臂是套在立柱上的一个可上下移动、可回转的不锈钢框架，中间装有活动的伸缩臂(54)，伸缩臂中间装有夹持手(46)，如图示左机械臂的夹持手处在熔炼位时，右机械臂的夹持手正夹着另一支电极准备焊接。伸缩臂由伸缩缸(45)操控，二根进油管(26)和二根回油管(27)分别通至伸缩缸和夹持缸。夹持手装在转轴(58)上，可绕转轴旋转。每个伸缩套上装有两根转轴，夹持手成对装配其上。两爿夹持手在转轴连线中心相接触，接触处各装有一摆动齿轮(57)，互相啮合，一爿夹持手转动时另一爿将通过摆动齿相应转动。一爿夹持手上装夹持缸(53)，伸出的夹持活塞杆(51)前端装有活塞销(56)，活塞销插入另一爿夹持手的偏心套(55)中，夹持缸动作时活塞杆可让两爿夹持手互相分开或夹紧。偏心套是为调整夹持手转动时相对位置变化引起活塞销偏移而设的。
炉本体通过真空罩密封(33)和底部真空罩(34)形成密封，炉盖(50)通过炉盖密封(49)和炉体形成密封。炉底中部装着水冷结晶器(20)，水冷结晶器下部是水冷壁(38)，采用引锭头(17)下引工艺，引锭头由引锭杆(18)下引，由进油管(40)和回油管(41)油缸(19)组成的液压回路操控引锭杆的升降。进水管(42)、回水管(43)组成冷却回路。
炉体和炉盖上多处装有观察孔(47)，便于熔炼时人工观察，同时在某几个观察孔处装上摄象头，可以自动操作。主要是判断夹持手的平面位置和下降位置，便于电极的擒取和焊接。
真空罩由不锈钢板焊接，功能是确保炉体密封。底部油缸装在真空罩内，必须有坚固的基础，为此真空罩底部设计了一底座，底座下部由底脚螺丝和水泥基础刚性相连，底座上部和油缸刚性相连，中间和真空罩的薄壁不锈钢焊接。
从图4平面布置可看出每一支机械手两边各有一安装支架(60)，每个支架可放一支或二支电极，图4左半图示安放4支电极，右半图示安放二支电极。
结合示意图描述自耗炉的工艺过程如下。
装炉前炉盖打开，结晶器已安装到位，炉本体底部的安装支架上左右各放上4支电极(在小吨位考虑时也可各放二支甚或一支)，中间结晶器中也安放一支电极，由左机械臂夹持住，炉内一共放9支电极。此时引锭油缸顶升到位，引锭头上升至结晶器顶部，引锭头上放一些起弧剂。盖上炉盖，抽真空至设定的真空度，熔炼电缆和左臂电缆送电，熔炼电源处于开路状态，左机械臂夹持着电极下降，接触结晶器中起弧剂时，借助于电极与起弧剂之间暧时接触产生弧光放电，进而达到稳定的电弧燃烧，形成一定量的金属熔池。起弧成功后转入正常熔炼。结晶器水冷套中已送入冷却水，熔融金属在接触结晶器壁时收缩、凝固，引锭油缸下降将已成型的铸锭往下拉，左机械臂随着电极的熔化逐渐跟着下降。
当电极熔化至上部空间可以放下第二支电极时，右机械臂擒取第二支电极逐步转移至结晶器上方，和第一支电极接触，并随着第一支电极下降，在第一支电极和第二支电极之间叠加上焊接电源，将第二支电极焊合在第一支电极上。焊接毕，撤去焊接电源，右臂电缆加上熔炼电源，熔炼电源通过右臂电缆、电极、结晶器、熔炼电缆构成一回路，电极熔化过程保持不变。然后左臂电缆断电，左夹持手松开，伸缩臂后退，左边电磁离合器送电，丝杠带动左立柱回转从而带动左机械臂回转，离开中心位，转至电极安装支架处，电磁离合器断电，回转动作停，机械手擒取第三支电极。擒取时，伸缩臂伸出，夹持油缸动作，夹持手夹紧，左机械臂上升，将电极从支架中取出，电磁离合器反向接通，左机械臂反向回转至中心位，置于正熔炼的第二根电极上方，然后焊合、熔炼、重复上述步骤直到炉内的9根电极都重熔完。
在结晶器中凝固成型的铸锭由引锭杆下引，铸锭出结晶器后进入园筒形冷却壁内，高温铸锭的幅射热被水冷壁吸收，由是冷却。
全部重熔过程中真空系统确保炉内一直处于设定的真空度。水冷系统确保重熔的热量被冷却水带走。
以锆冶炼用的500Kg自耗炉和按本发明思想设计的自耗炉对比如下。
锆二次重熔用自耗炉，铜坩锅冶炼，一次电极用海绵锆压制成￠120的棒，用电极焊接真空炉将三支电极焊接在一起形成一次重熔的电极，3M长，重220Kg，成品锭规格为￠210，长约1M，将三支一次重熔的成品锭在真空炉内焊接成二次重熔用的电极，3M长，重660Kg，成品锭坩锅的直径￠360，成品锭最终长约1M。这样一台自耗炉炉体高度约4M。
采用本发明制造的自耗炉，二次重熔时用1.2M长的￠210的电极9支，同样￠360的成品锭，成品锭长3.4M，重2230Kg。炉本体高只有1.5M。
应当说在同样的功率、同样的电极和同样的成品直径的前提下，纯熔炼的时间是一样的，但完成整个过程的时间却大不一样。以获得相同重量的成品锭而言，本发明自耗炉只用了常规自耗炉约三分之一的时间就完成了成品锭的二次重熔。
序号名称1.电极供给机构 2.控制棒 3.真空滑动密封 4.炉体 5.夹头6，过渡电极 7，电极 8。真空泵接口 9，静密封 10.冷却水出口11.铜坩锅 12.水冷套 13.铸锭 14.冷却水进口 15.正极 16.负极 17.引锭头 18.引锭杆 19引锭油缸 20.结晶器 21.行星减速机构 22.电磁离合器 23.升降丝杠 24.顶部轴承 25.离合器电缆 26.进油管 27.回油管 28.立柱 29.升降螺母 30.机械臂 31.左臂电缆 32.底部轴承 33.真空罩密封 34.真空罩35.联轴器 36.谐波减速器 37.伺服马达 38.水冷壁 39连接螺丝 40.进油管 41.回油管 42.结晶器进水 43.结晶器回水44.熔炼电源电缆 45.伸缩缸 46.夹持手 47.观察孔 48.右臂电缆 49.炉盖密封 50.炉盖 51.夹持活塞杆 52.连接板 53.夹持缸 54.伸缩臂 55.偏心套 56.活塞销 57摆动齿轮 58.转轴59.伸缩缸活塞杆 60.安装支架.
权利要求
1.一种炉内电极自动焊接的真空自耗炉，包括炉体(4)、真空罩(34)、熔炼电源、焊接电源、电极送进机构、铸锭引出机构、真空系统、液压系统及相应的电控系统，炉体内装有左右两支机械手，炉底部是结晶器(20)和下引锭机构，底部真空罩和炉体构成一密封空间，其特征是炉体内安装左右两根立柱(28)、立柱上套有机械臂(30)，中间是升降丝杠(23)，立柱一端装有伺服马达(37)和谐波减速器(36)，通过联轴器(35)和升降丝杠相联，丝杠另一端装行星减速机构(21)，通过电磁离合器(22)和立柱相联；炉底中部是水冷结晶器、水冷壁(38)、引锭头(17)、引锭杆(18)、引锭油缸(19)；炉外送进的熔化电源由结晶器中的引锭头和夹持电极的机械手构成回路，焊接电源叠加在该机械手和另一机械手之间。
2.如权利要求1所述的炉内电极自动焊接自耗炉，其特征是真空系统、液压系统、电控系统、水冷系统、熔炼电源、焊接电源在炉外安装，由相应的软管送进炉内连接。
3.如权利要求1所述的炉体内的立柱，其特征是立柱系开有一道纵向槽的厚壁园管，立柱底部的伺服马达和传动机构驱动安装在立柱中间的丝杠转动，丝杠带动升降螺母(20)从而带动套在立柱上的机械臂上下移动。
4.如权利要求1所述的丝杠的另一端通过行星减速机构、离合器和立柱相连，所述的离合器为电磁离合器，离合器接通时升降丝杆带动立柱旋转从而带动机械臂回转。
5.如权利要求1所述的机械臂由伸缩缸(45)推动伸缩臂(54)前进后退，臂前端安装由夹持缸(53)操控可握紧放松的夹持手(46)。
全文摘要
本发明公开一种炉内电极自动焊接的真空自耗炉，包括炉体、二套立柱和机械手装置、真空炉底中部的水冷结晶器、水冷壁、引锭头、引锭杆、引锭杆下部安装引锭驱动机构，其特点是立柱一端装有伺服马达和谐波减速器，通过联轴器和立柱中的升降丝杠和升降螺母相联，丝杠另一端装行星减速机构，通过离合器和立柱相联；所述的机械手由套在立柱上的可升降的机械臂、伸缩臂、夹持手组成，机械臂由升降螺母带动升降；炉外送进的熔化电源由结晶器中的引锭头和夹持电极的机械手构成回路，焊接电源叠加在该机械手和另一机械手之间；所述的真空系统、液压系统、电控系统、水冷系统、熔炼电源、焊接电源在炉外安装，由相应的软管送进炉内连接；所述的离合器为电磁离合器，离合器接通时升降丝杠带动立柱旋转从而带动机械臂回转。
文档编号F27B3/08GK1827807SQ200510024170
公开日2006年9月6日 申请日期2005年3月2日 优先权日2005年3月2日
发明者王晓邦, 崔中, 沈嘉麟 申请人:王晓邦, 崔中, 沈嘉麟