本發明涉及鑄造設備與方法
技術領域：
，更特別地說，是指一種用于真空熔煉設備中的順序凝固工藝裝置及方法。
背景技術：
：在超高溫材料的生產過程中，為保證所生產的材料具有優異的質量水平，必須嚴格控制化學成分和提高純凈度，而這主要取決于熔煉技術。真空熔煉技術是超高溫材料熔煉的一種關鍵技術。在合金液澆注成型的過程中，當溶液澆入錠模后，與錠模型壁接觸的液體先凝固，中心部分液體后凝固。由于合金的液態收縮和凝固收縮，往往在鑄件最后凝固的部位出現空洞。容積大而集中的孔洞稱為縮孔；細小而分散的孔洞稱為縮松。在鑄件的生產過程中，縮孔、縮松等缺陷是制約鑄件生產的一大問題，直接影響到鑄件的質量與工藝出品率，而工藝出品率是影響鑄件成本的一大重要因素。為了防止這些缺陷，往往通過設置冒口加強金屬液的補縮，并通過設置冷鐵形成局部激冷區，盡量使金屬液在凝固過程中實現順序凝固。但在實際生產過程中，由于某些合金的凝固收縮率大，或是由于鑄件的長徑比比較大，而使得澆注過程中形成的自生溫度梯度并不能完全消除縮孔，造成工藝出品率低，大量的原材料被浪費的結果。形成縮孔縮松的根本原因是合金棒料或鑄錠在凝固時，側壁傳熱形成的橫向凝固速度和底部散熱形成的縱向凝固速度不同，側壁的橫向凝固速度大于底部的縱向凝固速度，導致固液界面推進形成的固液界面角角度過小，并且側壁與棒料的接觸面積大，棒料縱截面上，側壁到中心的距離不變，因而各位置的橫向凝固速度也幾乎不變。但隨著棒料由下而上的凝固過程進行，縱向凝固需要散失的熱量需要經由已凝固區域傳出，隨著已凝固區域的增加，散熱變慢，縱向凝固速度也逐步變慢，因而導致固液界面角進一步變小，最終在棒料中心位置形成細長的最后凝固區域，上方金屬液補縮能力不夠，導致中心縮孔縮松的產生。因而要想消除中心縮孔縮松，一方面需要加強冒口的補縮效果，另一方面需要合理設置冷卻裝置，盡可能增大固液界面角，實現金屬液自下而上的順序凝固。為了盡可能增大固液界面角，在傳統工藝中，也有通過在錠模的側部或底部，以外加水冷或風冷等冷卻的方法來給金屬液外加一定的溫度梯度，以加快金屬液凝固，但對于施加側部冷卻的方式，其首先冷卻的是錠模側壁，只能減少總凝固時間，對固液界面角的擴大作用沒有幫助，甚至會進一步減小固液界面角。而對于底部冷卻的方式，往往是通過冷卻底部所有區域，這樣不僅會提高棒料中心的縱向凝固速度，同時也冷卻了錠模側壁，提高了棒料的橫向凝固速度，對固液界面角的擴大作用不明顯。可見，目前暫未有人公布過基于冒口加熱設計與冷鐵補縮設計的用于真空熔煉設備中的順序凝固工藝裝置及方法。技術實現要素：為解決上述技術問題，本發明提供了一種用于真空熔煉設備中的順序凝固工藝裝置及方法，目的在于保證真空熔煉設備內的高真空條件下，通過外加感應加熱裝置，加熱冒口中金屬液的溫度，控制冒口的凝固時間大于鑄件被補縮部分的凝固時間，使冒口與被補縮部位之間始終保持暢通的補縮通道，保證補縮效果；同時通過外加的冷卻裝置作用于錠模底座底部的中心局部位置施加冷卻，加強底部激冷的效果，增大固液界面角，實現自下而上的順序凝固，達到消除縮孔、縮松缺陷，提高鑄件質量和工藝出品率的目的。本發明完整的技術方案包括：一種用于真空熔煉設備中的順序凝固工藝裝置，包括真空熔煉設備、錠模、冒口加熱裝置和激冷裝置。所述的真空熔煉設備爐壁處開有四個孔，兩個孔為一組，共兩組。其中一組裝有進線孔套，進線孔套的中部是供水冷銅管通過的中心通孔，進線孔套上設有外螺紋，通過螺紋連接固定于真空熔煉設備爐壁上。另一組裝有進線管，進線管中部是供冷卻物質進出的通道，進線管上設有外螺紋，通過螺紋連接，固定于真空熔煉設備爐壁上。所述錠模分為上下兩部分，上部呈由下向上直徑逐漸變大的喇叭口，為冒口段；下部為直徑相同的錠模段，錠模段外套有一端封閉的圓柱桶作為底座。金屬液在所述錠模中凝固后，形成鑄件。所述的冒口加熱裝置包括感應加熱線圈、轉用管、連接件、水冷銅管和進線孔套。感應加熱線圈設于上述錠模的冒口段外，感應加熱線圈的尾端焊有轉用管，轉用管上套有用連接件，可與水冷銅管通過螺紋進線連接。水冷銅管固定于進線孔套的中心通孔中，一端與感應加熱線圈相連，另一端與感應加熱電源相連。所述的激冷裝置包括冷卻裝置、進水口、出水口、波紋管和進線管。冷卻裝置設于上述錠模底座的底部中心處，所述的底部冷卻裝置的冷卻區域小于鑄件在錠模底部處的橫截面積。進水口與出水口的一端與冷卻裝置相連，另一端與通過波紋管上的螺母與波紋管相連，波紋管的另一端通過波紋管上的螺母與進線管相連，進線管的另一端連接有冷卻物質的輸入通道。本發明中，所述的感應加熱線圈與冒口中應填充有隔熱材料，用于保護感應線圈不受熱輻射導致損壞。本發明中，所述的冷卻裝置為水冷裝置、風冷裝置或水霧冷裝置中的一種。本發明中，所述的鑄件為鑄棒，所述的底部冷卻裝置的冷卻區域的中心與鑄棒橫截面的中心重合，且冷卻區域小于鑄棒橫截面積。本發明中，所述冷卻區域的面積為鑄棒橫截面積的30％-60％。本發明中，所述的底座底部為分體結構，其中與底部冷卻裝置相接觸的部位采用可拆卸更換的部件。本發明中，所述的錠模為絕緣材料制成。采用上述用于真空熔煉設備中的順序凝固工藝方法，包括如下步驟：步驟一：關閉爐蓋抽真空前，設置底座底部的冷卻裝置，所述的冷卻裝置的冷卻區域小于鑄件在鑄型底部處的橫截面積；設置錠模，錠模在放置于真空熔煉設備前需進行預熱，防止金屬液澆入錠模后冷速過快，造成補縮通道消失，錠模的冒口段外設置感應加熱線圈，并在感應加熱線圈與冒口段之間填充隔熱材料；步驟二：關閉爐蓋抽真空，進行熔煉。金屬液澆注前，打開感應加熱線圈的電源，并啟動底部冷卻裝置；步驟三：澆注合金液，由于步驟一啟動了底部的冷卻裝置，底部冷卻裝置對錠模底部的冷卻作用，增大了固液界面角；同時由于步驟一打開了感應加熱線圈的電源，所以在冒口處的金屬液會受到線圈感應加熱的作用，不會立刻凝固，保證了補縮通道及補縮液的存在；步驟四：隨著凝固過程的進行，逐漸減小感應加熱線圈的供電功率，完成順序凝固過程。優選的，所述步驟四中，隨著凝固過程進行，逐步增大底部冷卻裝置的冷卻強度。優選的，所述的冷卻裝置為水冷裝置、風冷裝置或水霧冷裝置中的一種。優選的，所述的鑄件為鑄棒，所述的底部冷卻裝置的冷卻區域的中心與鑄棒橫截面的中心重合，所述冷卻區域的面積為鑄棒橫截面積的30％-60％。本發明設計的用于真空熔煉設備中的順序凝固工藝裝置及方法的優點在于：(1)本發明保證了在真空中進行熔煉與澆注的工藝條件，即在冒口加熱及底部冷卻的過程中，不破壞真空熔煉設備的真空度，不用移除冒口上方的過濾網和感應線圈內的導電發熱套。(2)本發明采用鑄型底部設有的冷卻區域小于鑄件在鑄型底部處的橫截面積的底部冷卻裝置，在鑄件凝固時對底部施加冷卻，由于冷卻區域小于鑄件在鑄型底部處的橫截面積，因而鑄錠中央部位的冷卻強度更大，鑄件側部的冷卻強度較小，增大了鑄件的縱向凝固速度，使固液界面角進一步增大，實現了順序凝固的條件。(3)本發明所述的冒口加熱裝置與真空熔煉設備之間拆卸方便，可根據不同的澆注要求更換線圈或拆卸線圈，不影響真空熔煉設備的正常使用。同時本發明利用導電發熱套，在澆注前對冒口進行預熱，防止金屬液與冒口接觸時受到的激冷作用，保證了冒口中金屬液的補縮效率。(4)本發明所述的冷卻裝置與真空熔煉設備之間拆卸方便，可根據不同的錠模要求更換冷卻裝置，不影響真空熔煉設備的正常使用。(5)本發明結合感應加熱原理，輻射傳熱原理、變壓器的阻抗匹配原理和金屬熔液的順序凝固原理，在澆注前和澆注后對冒口內的環境和金屬熔液進行加熱，控制冒口的凝固時間大于鑄件被補縮部分的凝固時間，使冒口與被補縮部位之間始終保持暢通的補縮通道，保證了補縮效果，消除了縮孔、縮孔缺陷，提高了工藝出品率。(6)本發明所述的鑄造冒口加熱裝置，電源箱采用igbt感應加熱電源，具有準確的頻率跟蹤功能，可以保證加熱過程中的功率供給。同時，電源箱配有多匝比的匹配變壓器，可根據感應線圈的大小、匝數和尺寸的變化，調整匹配變壓器的匝數比，保證電源與負載之間的阻抗匹配，防止因阻抗不匹配導致的功率不足。(7)本發明所述的鑄造冒口加熱裝置，電源采用超音頻，一方面保證了感應加熱的熱量輸出，另一方面避免了中頻電源在作業中所產生的噪音污染。附圖說明圖1是本發明用于真空熔煉設備中的順序凝固工藝裝置的結構圖。圖2是本發明改進后的鑄造設備冒口加熱裝置的結構圖。圖2a是本發明改進后的鑄造設備冒口加熱裝置另一視角的結構圖。圖2b是本發明未裝配真空熔煉設備的爐壁的鑄造設備冒口加熱裝置的結構圖。圖3是本發明過濾器、感應加熱線圈與錠模的冒口段之間的裝配位置圖。圖4是本發明錠模的結構圖。圖4a是本發明錠模的a-a剖視圖。圖5是本發明a進線孔套的結構圖。圖5a是本發明a進線孔套的另一視角結構圖。圖6是采用本發明裝置和方法制得的試樣的照片。圖7是采用常規裝置和方法制得的試樣的照片。1.底座1-1.氧化鎂砂2.過濾器2a.過濾網2b.底部面板3.感應加熱線圈3-1.硅酸鋁纖維氈4.導電發熱套5.錠模5a.冒口段5b.錠模段5c.錠模開口6a.a轉用管6b.b轉用管7a.a進線孔套7b.b進線孔套7c.c螺母7d.d螺母8a.a水冷銅管8b.b水冷銅管9a.a連接件9b.b連接件10.真空熔煉設備10a.a螺母10b.b螺母10c.爐體壁20.電源控制箱30.變壓器40.坩堝40a.金屬液具體實施方式下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。參見圖1所示，一種能夠實現高工藝出品率的用于真空熔煉設備中的順序凝固工藝裝置，是在現有真空熔煉設備中增加了如圖2所示的冒口加熱裝置；因此，一種用于真空熔煉設備中的順序凝固工藝裝置，至少包括有真空熔煉設備、錠模、冒口加熱裝置和激冷裝置。所述的真空熔煉設備10的爐壁10c處開有四個孔，兩個孔為一組，共兩組。其中一組裝有進線孔套，進線孔套的中部是供水冷銅管通過的中心通孔，進線孔套上設有外螺紋，通過螺紋連接固定于真空熔煉設備爐壁上。另一組裝有進線管，進線管中部是供冷卻物質進出的通道，進線管上設有外螺紋，通過螺紋連接，固定于真空熔煉設備的爐壁上。所述的激冷裝置包括冷卻裝置、進水口、出水口、波紋管和進線管。冷卻裝置設于上述底座1的底部中心處，位于底座底部的冷卻裝置的冷卻區域小于鑄件在錠模5底部處的橫截面積。進水口與出水口的一端與冷卻裝置相連，另一端與通過波紋管上的螺母與波紋管相連，波紋管的另一端通過波紋管上的螺母與進線管相連，進線管的另一端連接有冷卻物質的輸入通道。冷卻裝置為水冷裝置、風冷裝置或水霧冷裝置中的一種。所述的底部冷卻裝置的冷卻區域的中心與鑄棒橫截面的中心重合，且冷卻區域小于鑄棒橫截面積。所述冷卻區域的面積為鑄棒橫截面積的30％-60％。在本發明中，通過增加的本發明冒口加熱裝置能夠滿足真空熔煉對熔煉環境真空度的要求以及對澆注時過濾器的要求，同時，安裝在爐內的感應加熱線圈3拆卸方便，可根據不同的澆注要求更換感應加熱線圈3或拆卸感應加熱線圈3，不影響真空熔煉設備的正常使用。在圖1中，電源控制箱20通過電纜與變壓器30連接，水冷銅管(8a、8b)的一端連接在變壓器30上，水冷銅管(8a、8b)的另一端穿過進線孔套(7a、7b)后通過連接件(9a、9b)與轉用管(6a、6b)連接，轉用管(6a、6b)連接在感應加熱線圈3上。進線孔套(7a、7b)通過螺母(10a、10b)固定在真空熔煉設備的爐體壁10c上。底座1安裝在真空熔煉設備10的爐內，且錠模5置于底座1內，錠模5的上端是過濾器2，過濾器2的開口與坩堝40在上下方向上保持一致，能夠使坩堝40內的金屬液40a在澆注過程中經過濾器2進入錠模5的錠模段內。在本發明中，設置在錠模5外部的底座1屬于現有真空熔煉設備中的設備。為了使錠模5通過平穩的支撐起錠模，在底座1內填充了氧化鎂砂1－1(圖3中未示出錠模5的外壁與底座1的內壁之間填充的氧化鎂砂)。底座1的底部可以設計為分體結構，其中與底部冷卻裝置相接觸的部位采用可拆卸更換的部件。參見圖1、圖2、圖2a、圖2b所示，本發明設計的一種用于真空熔煉設備中的順序凝固工藝的冒口加熱裝置，冒口加熱裝置包括有過濾器2、感應加熱線圈3、導電發熱套4、錠模5、轉用管(6a、6b)、進線孔套(7a、7b)、水冷銅管(8a、8b)、以及用于感應加熱線圈3兩端與水冷銅管(8a、8b)連接的連接件(9a、9b)。連接在感應加熱線圈3一端的稱為a路連接組件，連接在感應加熱線圈3另一端的稱為b路連接組件。如圖2、圖2a、圖2b所示a路連接組件的有a轉用管6a、a連接件9a、a水冷銅管8a、a進線孔套7a。如圖2、圖2a、圖2b所示b路連接組件的有b轉用管6b、b連接件9b、b水冷銅管8b、b進線孔套7b。在本發明中，連接件(9a、9b)為銅質的帶有內螺紋的螺母。過濾器2參見圖2所示，過濾器2為圓柱或錐形結構體。過濾器2的底部面板2b中心安裝有過濾網2a。所述過濾網2a為氧化鋁陶瓷、氧化釔陶瓷材質加工。過濾網2a為平板結構，其上設有供熔體流過的通孔。感應加熱線圈3參見圖2、圖2a、圖2b、圖3所示，感應加熱線圈3為螺旋方式纏繞在導電發熱套4的外部，且在導電發熱套4的外壁與感應加熱線圈3之間填充有隔熱材料，用于保護感應線圈不受熱輻射導致損壞，該隔熱材料是硅酸鋁纖維氈3－1。在本發明中，若未設置導電發熱套4，也可以在感應加熱線圈3與錠模5的冒口段5a外壁之間填充有隔熱材料，用于保護感應線圈不受熱輻射導致損壞。導電發熱套4參見圖1、圖3所示，導電發熱套4為空心圓柱結構，是設置在錠模5的冒口段5a上。在本發明中，導電發熱套4的發熱溫度需達到1900℃以上，導電發熱套4所采用的導電材料一般為石墨、高溫鉬或鎢。錠模5參見圖3、圖4所示，錠模5是用于熔體澆注后形成鑄錠的模具。錠模5為一體結構件。錠模5上設有冒口段5a和錠模段5b；冒口段5a為錐形，錠模段5b為圓形；熔體經錠模開口5c經冒口段5a注入到錠模段5b中，經冷卻后得到鑄錠。在本發明中，冒口5的冒口段5a外壁安裝有導電發熱套4，導電發熱套4設置在感應加熱線圈3與冒口5的冒口段5a之間。通過感應加熱線圈3對該導電發熱套4的加熱，使導電發熱套4內的溫度在澆注前即可達到一個高值，保證澆注時冒口的預熱效果，防止在澆注瞬間冒口5的冒口段5a中金屬液溫度大幅下降導致的凝固。在澆注完成后，通過該導電發熱套4對冒口(5)的冒口段5a中的熔液進行加熱，使其溫度保持在熔點以上，待全部補縮后再停止加熱。整個加熱過程中，冒口5的冒口段5a的熱量全部為導電發熱套4的輻射導熱所傳遞。參見圖4a所示，錠模5的內層5-1為氧化釔，外層5-2為莫來石。進線孔套(7a、7b)參見圖5、圖5a所示，a進線孔套7a為一體結構件。a進線孔套7a的中部是供a水冷銅管8a通過的中心通孔7a-1；a進線孔套7a上設有ga套接段7a-2(其上設有外螺紋)、gb套接段7a-3和a套管本體7a-4；所述a套管本體7a-4的一端設有用于放置一密封墊圈的ga凹槽7a-41，所述a套管本體7a-4的另一端設有用于放置另一密封墊圈的gb凹槽7a-42；所述ga套接段7a-2上連接有a螺母10c；所述gb套接段7a-3套接在真空熔煉設備的爐體壁10c上。連接關系：a進線孔套7a的ga套接段7a-2通過a螺母10a固定在真空熔煉設備的爐體壁10c上；a進線孔套7a的a套管本體7a-4的另一端安裝有ga端蓋7a-5，ga端蓋7a-5的外部螺紋連接有c螺母7c，通過c螺母7c實現a水冷銅管8a與a進線孔套7a的固定；b進線孔套7b的gc套接段7b-2通過b螺母10b固定在真空熔煉設備的爐體壁10c上；b進線孔套7b的b套管本體7b-4的另一端安裝有gb端蓋7b-5，gb端蓋7b-5的外部螺紋連接有d螺母7d，通過d螺母7d實現b水冷銅管8b與b進線孔套7b的固定；感應加熱線圈3螺旋套接在錠模5的冒口段上，感應加熱線圈3的一端通過a連接件9a與a水冷銅管8a的一端連接，a水冷銅管8a的另一端穿過a進線孔套7a的中心通孔7a-1后，連接在變壓器30上。感應加熱線圈3的另一端通過b連接件9b與b水冷銅管8b的一端連接，b水冷銅管8b的另一端穿過b進線孔套7b的中心通孔后，連接在變壓器30上。實施例1如圖1所示的本發明改進真空熔煉設備，采用真空感應爐熔煉鎳基高溫合金，對其在氧化釔錠模中進行澆注，具體方法如下：步驟一：關閉爐蓋抽真空前，設置水冷銅盤為冷卻裝置，將其放置于真空感應爐內，水冷銅盤的上表面積為鑄棒橫截面積的40％，水冷銅盤兩側分別接進水口和出水口，銅盤內設有冷卻水通道；將氧化釔陶瓷錠模預熱到900℃后放置在底座中，錠模的冒口段最大內徑為120mm，最小內徑為100mm，錠模段內徑為100mm。將底座與錠模放置于水冷銅盤上，并使水冷銅盤的中心與錠模的中心重合，并將感應加熱線圈放置在冒口外，感應加熱線圈內徑為140mm，匝間距為5mm，并在感應加熱線圈與冒口之間填充硅酸鋁纖維氈。步驟二：關閉爐蓋抽真空至1×10-1pa，進行熔煉。金屬液澆注前，打開感應加熱線圈的電源，使其功率達到15kw，并開啟冷卻水。步驟三：澆注合金液，由于步驟一啟動了底部的冷卻裝置，底部冷卻裝置對錠模底部的冷卻作用，增大了固液界面角；同時由于步驟一打開了感應加熱線圈的電源，所以在冒口處的金屬液會受到線圈感應加熱的作用，不會立刻凝固，保證了補縮通道及補縮液的存在；步驟四：保持5min后，將感應加熱電源的功率降至10kw，同時逐步增大底部水冷銅盤的冷卻強度，繼續保持5min后，斷電，完成澆注過程。將實施例1制得的試樣用照相機拍了照片，如圖6所示。圖中，端面無明顯縮孔。圖7所示為采用常規裝置，且將氧化釔陶瓷錠模預熱到900℃后進行澆注，完成澆注過程后，取樣，照相機拍了照片，出現大的縮孔。實施例2如圖1所示的本發明改進真空熔煉設備，采用真空感應爐熔煉鎳基高溫合金，對其在氧化鎂錠模中進行澆注，具體方法如下：步驟一：關閉爐蓋抽真空前，設置水冷銅盤為冷卻裝置，將其放置于真空感應爐內，水冷銅盤的上表面積為鑄棒橫截面積的50％，水冷銅盤兩側分別接進水口和出水口，銅盤內設有冷卻水通道；將氧化鎂陶瓷錠模預熱到420℃后放置在底座中，錠模的冒口段最大內徑為110mm，最小內徑為90mm，錠模段內徑為90mm。將底座與錠模放置于水冷銅盤上，并使水冷銅盤的中心與錠模的中心重合，并將感應加熱線圈放置在冒口外，感應加熱線圈內徑為130mm，匝間距為3mm，并在感應加熱線圈與冒口之間填充硅酸鋁纖維氈。步驟二：關閉爐蓋抽真空至2×10-1pa，進行熔煉。金屬液澆注前，打開感應加熱線圈的電源，使其功率達到12kw，并開啟冷卻水。步驟三：澆注合金液，由于步驟一啟動了底部的冷卻裝置，底部冷卻裝置對錠模底部的冷卻作用，增大了固液界面角；同時由于步驟一打開了感應加熱線圈的電源，所以在冒口處的金屬液會受到線圈感應加熱的作用，不會立刻凝固，保證了補縮通道及補縮液的存在；步驟四：保持5min后，將感應加熱電源的功率降至8kw，同時逐步增大底部水冷銅盤的冷卻強度，繼續保持5min后，斷電，完成澆注過程。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。本發明是一種用于真空熔煉設備中的順序凝固工藝裝置及方法，所要解決的是如何改善真空熔煉出現的縮孔缺陷技術問題。本發明的技術手段是，在保證真空熔煉設備內的高真空條件下，通過外加感應加熱裝置，加熱冒口中金屬液的溫度，控制冒口的凝固時間大于鑄件被補縮部分的凝固時間，使冒口與被補縮部位之間始終保持暢通的補縮通道，保證補縮效果；同時通過外加的冷卻裝置作用于錠模底座底部的中心局部位置施加冷卻，加強底部激冷的效果，增大固液界面角，實現自下而上的順序凝固，達到消除縮孔、縮松缺陷，提高鑄件質量和工藝出品率的目的。當前第1頁12