CN110423871B - 一种变频感应加热及冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变频感应加热及冷却装置。该装置包括炉体、可切换式变频电源、炉门、气阀、热电偶、线圈、保温箱体、石墨电极、Al2O3坩埚、水冷夹头；炉体可提供高真空或惰性气体保护环境；可切换式变频电源与线圈连接，可提供工/中/高频电源及脉冲电源；高频电源使得石墨电极发热，从而加热金属试样至熔化，之后，可切换至工/中频或脉冲电源，对试样的凝固过程进行电磁处理。此外，在试样凝固的任一时刻，可打开气阀，自炉体底部快速充入低温惰性气体，对样品进行淬火，得到不同冷速下、不同磁场条件下、不同时刻的不同生长形态的金属试样。该发明能快速熔融金属并用于研究连铸坯、铸锭的凝固过程。

Description

一种变频感应加热及冷却装置
技术领域
本发明涉及铸造和连铸等金属凝固技术领域，特别是一种变频感应加热及冷却装置。
背景技术
连铸是当今冶金工业的主流生产技术。我国20世纪80年代连铸生产开始高速发展，2018年全国连铸钢坯产量超过10亿吨，连铸比超过99％。关于连铸坯凝固过程的研究是一个世界性难题。连铸坯不仅具有高温、不透明等金属凝固过程的共有特点，而且由于是大规模工业生产，使倾出法、热分析法、直观观察法和物理模拟法等目前比较成熟的实验研究方法都遇到了困难。
上海大学的《连铸坯凝固组织物理模拟方法及装置》(中国专利公开号：CN101075287)，通过控制过热度和冷端水流量以及坩埚旋转的方式，可模拟连铸坯定向凝固组织，研究工艺参数对凝固组织的影响。上海大学的《凝固组织水平生长过程的模拟方法及装置》(中国专利公开号：CN101722291A)，通过原位翻转浇注、控制液相温度和冷端水流量，可以模拟连铸坯凝固组织水平生长过程。但是上述两个热模拟装置的熔钢方式存在两个缺陷，其一是均采用了电阻加热，该加热方式效率慢，且因为加热体分布及尺寸的限制，导致炉体尺寸巨大，空间应用率低；其二上述两装置没有引入磁场对熔融金属液的扰动，不能研究磁场对金属凝固过程的影响。然而，已有研究表明磁场的干扰对晶粒的生产形态以及成分分布有显著影响。本发明设想的变频感应加热及冷却装置，采用变频感应加热的方式，通过调节加载在线圈上的交变电流形式，能够利用一套装置实现对金属试样的熔融及磁场扰动处理，并利用快速通入低温惰性气体的方法对试样进行淬火，将装置的空间利用率大大提升，从而提高该类实验的实验效率、准确性和灵活性。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种应变频感应加热及冷却装置，通过调节加载在线圈上的交变电流形式，实现对金属试样的熔融及凝固过程中的电磁处理；采用通入低温惰性气体的方式，对熔融处理后金属试样进行淬火。从而该装置可实现金属试样的融化、凝固过程的控制、电磁场的扰动以及低温气体的淬火。该装置可用于研究连铸坯的热模拟，但不局限于此。并且，相较现有的连铸坯热模拟加热装置，本发明装置的实验效率、准确性及空间利用率均高于现有装置。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种变频感应加热及冷却装置，该装置包括热电偶(1)、第一气阀(2)、炉体(3)、线圈(4)、保温箱体(5)、炉门(6)、水冷夹头(7)、第二气阀(8)、Al2O3坩埚(9)、石墨电极(11)、可切换式变频电源，所述线圈(4)与炉体(3)外侧的可切换式变频电源连接，用于提供工/中/高频交变电流以及脉冲电流，所述炉门(6)设在炉体(3)的右侧；
所述第一气阀(2)和第二气阀(8)分别位于炉体(3)左上侧和右下侧，所述第一气阀(2)和第二气阀(8)由电磁开关控制以快速地开闭，可用于抽取炉体(3)的真空以及向炉体(3)内充入低温惰性气体；
所述线圈(4)、保温箱体(5)、石墨电极(11)及Al2O3坩埚(9)设置于炉体(3)的炉腔内；
所述水冷夹头(7)穿过并固定于炉门(6)上，一端与Al2O3坩埚(9)连接，另一端与循环水冷机连接，通过循环水冷机准确控制通过水冷夹头(7)的水流量的大小，从而控制所述金属试样在降温过程中的轴向散热速度；
所述Al2O3坩埚(9)为一中空长方体，金属试样(10)放置于Al2O3坩埚(9)内；
保温箱体(5)内部上下表面设置有石墨电极(11)，线圈(4)围套在保温箱体(5)外部，与水冷夹头(7)连接的Al2O3坩埚(9)穿过立体保温箱体(5)右侧的孔悬空在保温箱体(5)内部；
所述石墨电极(11)、保温箱体(5)以及线圈(4)整体作为金属试样(10)融化过程中的加热保温部件，并且保温箱体(5)与炉体(3)内的机械控制***连接，该控制***可以控制石墨电极(11)、保温箱体(5)以及线圈(4)整体以一定速度向炉体(3)左侧移动；
上述设置机械控制***的作用是金属试样(10)在坩埚(9)内融化以后，加热保温部件可按一定速度向左侧移动，逐渐远离坩埚(9)，从而控制Al2O3坩埚(9)内的金属试样(10)的凝固过程，实现连铸坯的热模拟过程，并且在凝固过程的任一时刻都可通入低温惰性气体，进行淬火处理，研究该凝固时刻的凝固组织及元素分布；
而且，还可以通过机械控制***将加热保温部件快速向左移动，使得Al2O3坩埚(9)完全脱离保温箱体(5)后，Al2O3坩埚(9)内的金属试样(10)在真空和/或低温惰性气体中进行凝固；
此外，也可以不移动加热保温部件，使Al2O3坩埚(9)内的金属试样(10)在真空和/或低温惰性气体中进行凝固。
所述热电偶(1)预埋在所述保温箱体(5)内，用于同步测量所述保温箱体(5)腔内温度；
所述线圈(4)、保温箱体(5)、石墨电极(11)、Al2O3坩埚(9)及水冷夹头(7)同轴。
进一步的，所述线圈(4)通过同轴电缆与可切换式变频电源相连接，且同轴电缆中通有冷却水；当线圈(4)内通入高频电流时，石墨电极(11)感应发热，使金属试样(10)熔化；当线圈(4)内通入工/中频电流、脉冲电流时，可实现金属试样(10)凝固过程中的电磁扰动，用于研究电磁作用对凝固过程的影响；所述第一气阀(2)和第二气阀(8)可循环快速地通入低温惰性气体，用于对凝固中的金属试样(10)进行淬火，从而研究所述金属试样(10)的生长形态，元素分布等问题。
进一步的，所述金属试样(10)大小为10cm×1cm×1cm；所述Al2O3坩埚(9)的大小为12cm×1.2cm×2cm，壁厚为1.5mm；所述石墨电极(11)的内直径为10cm，外直径为13cm，高为14cm；所述保温箱体(5)外直径为23cm，高为24cm；所述线圈(4)内直径为23cm，外径为26cm，高为15cm；所述炉体内直径为40cm，壁厚为2cm，高为45cm。
进一步的，所述水冷夹头(7)由夹具与冷却水管道组成，夹具夹持于坩埚上，冷却水管道穿过炉门并固定于炉门上与循环水冷机相连接。在加热过程中，冷却水将夹具冷却，可保证夹具的强度，从而很好的固定坩埚；在金属试样(10)凝固过程中，通过水冷夹头的冷却，可实现所述金属试样在凝固过程中的轴向散热。同时，外接的循环水冷机能够精确控制通入水冷夹头(7)中水流量的大小，控制轴向散热的速度。
进一步的，所述第一气阀(2)和第二气阀(8)外接低温气体装置，能够向所述变频感应加热及冷却装置循环充入低温惰性气体，气体温度范围为0-10℃，气体流量大小范围为0.1-0.2m3/s。
进一步的，所述变频感应加热及冷却装置还包括数据信号采集控制***，用于将所述热电偶(1)、可切换式变频电源、循环水冷机和第一气阀(2)、第二气阀(8)得到的温度、输出的电流大小和频率、冷却水量和气体流量转化为数据信息并全程进行采集储存，所述数据信号控制采集***的采集频率为100Hz。
进一步的，所述变频感应加热及冷却装置的最高加热温度为2000℃；升降温速率范围为0.01-100K/s；升降温控温误差小于±2k；冷态极限真空度为6.67×10-3Pa。
进一步的，所述线圈(4)中通入的电流频率为2-50KHz。
进一步的，所述水冷夹头(7)的冷却水流量为0.2L/min—10L/min。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
本发明提供了一种变频感应加热及冷却装置，将金属试样融化、磁场对金属凝固过程的影响、凝固过程控制、凝固过程中组织结构与成分分布的研究融为一体。通过向线圈加载高频交变电源，使石墨电极感应发热，将金属试样熔化，且实验处于高真空环境，提高金属融化过程的准确度；在金属凝固的过程中，可根据需要随时打开气阀，快速通入低温惰性气体，实现某一凝固时刻的淬火处理，保留该凝固时刻的凝固组织；此外，可将加载在线圈上的高频电流切换成工/中频电流或脉冲电流，实现磁场对金属凝固过程的干扰，研究不同磁场对金属液凝固组织的影响；再者，加热保温部件可按一定速度移动，控制凝固过程，从而实现连铸坯的热模拟。另外，该装置能够大大缩小加热腔室的体积，提高空间利用率，获得温度均匀的加热腔室，提高实验准确度。
附图说明
图1为本发明变频感应加热及冷却装置结构示意图；
其中，图中标号为：热电偶(1)、第一气阀(2)、炉体(3)、线圈(4)、保温箱体(5)、炉门(6)、水冷夹头(7)、第二气阀(8)、坩埚(9)、金属试样(10)、石墨电极(11)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种变频感应加热及冷却装置，将金属试样融化、磁场对金属凝固过程的影响、凝固过程控制、凝固过程中组织结构与成分分布的研究融为一体。通过向线圈加载高频交变电源，使石墨电极感应发热，将金属试样熔化，且实验处于高真空环境，提高金属融化过程的准确度；在金属凝固的过程中，可根据需要随时打开气阀，快速通入低温惰性气体，实现某一凝固时刻的淬火处理，保留该凝固时刻的凝固组织；此外，可将加载在线圈上的高频电流切换成工/中频电流或脉冲电流，实现磁场对金属凝固过程的干扰，研究不同磁场对金属液凝固组织的影响；再者，加热保温部件可按一定速度移动，控制凝固过程，从而实现连铸坯的热模拟过程。另外，该装置能够大大缩小加热腔室的体积，提高空间利用率，获得温度均匀的加热腔室，提高实验准确度。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1位本发明变频感应加热及冷却装置结构示意图。如图1所示，本发明提出的一种变频感应加热及冷却装置，该装置包括热电偶(1)、第一气阀(2)、炉体(3)、线圈(4)、保温箱体(5)、炉门(6)、水冷夹头(7)、第二气阀(8)、Al2O3坩埚(9)、石墨电极(11)、可切换式变频电源(12)，所述线圈(4)与炉体(3)外侧的可切换式变频电源连接(12)连接，用于提供工/中/高频交变电流以及脉冲电流，所述炉门(6)设在炉体(3)的右侧，其中，高频：大于10kHz，中频：1–10kHz,工频：50–60Hz；
所述第一气阀(2)和第二气阀(8)分别位于炉体(3)左上侧和右下侧，所述第一气阀(2)和第二(8)可由电磁开关控制以快速地开闭，可用于抽取炉体(3)的真空以及向炉体(3)充入低温惰性气体；
所述线圈(4)、保温箱体(5)、石墨电极(11)及Al2O3坩埚(9)设置于炉体(3)的炉腔内；
所述水冷夹头(7)穿过并固定于炉门(6)上，一端与Al2O3坩埚(9)连接，另一端与循环水冷机连接，通过循环水冷机准确控制通过水冷夹头(7)的水流量的大小，从而控制所述金属试样在降温过程中的轴向散热速度；
所述Al2O3坩埚(9)为一中空长方体，金属试样(10)放置于Al2O3坩埚(9)内；
保温箱体(5)内部上下两端设置有石墨电极(11)，线圈(4)围套在保温箱体(5)外部，与水冷夹头(7)连接的Al2O3坩埚(9)穿过保温箱体(5)右侧的孔悬空在立体保温箱体(5)内部；
所述石墨电极(11)、立体保温箱体(5)以及线圈(4)整体作为金属试样(10)融化过程中的加热保温部件，并且保温箱体(5)与炉体(3)内的机械控制***连接，该控制***可以控制石墨电极(11)、保温箱体(5)以及线圈(4)整体以一定速度向炉体(3)左侧移动；
上述设置机械控制***的作用是金属试样(10)在坩埚(9)内融化以后，加热保温部件可按一定速度向左侧移动，逐渐远离坩埚(9)，从而控制Al2O3坩埚(9)内的金属试样(10)的凝固过程，实现连铸坯的热模拟过程，并且在凝固过程的任一时刻都可通入低温惰性气体，进行淬火处理，研究该凝固时刻的凝固组织及元素分布；
而且，还可以通过机械控制***将加热保温部件快速向左移动，使得Al2O3坩埚(9)完全脱离保温箱体(5)后，使得Al2O3坩埚(9)内的金属试样(10)在真空或者低温惰性气体中进行凝固；
此外，也可以不移动加热保温部件，使Al2O3坩埚(9)内的金属试样(10)在保温箱体(5)内凝固。
所述热电偶(1)预埋在所述保温箱体(5)内，用于同步测量所述保温箱体(5)腔内温度；
所述线圈(4)、保温箱体(5)、石墨电极(11)、Al2O3坩埚(9)及水冷夹头(7)同轴。
进一步的，所述线圈(4)通过同轴电缆与可切换式变频电源相连接，且同轴电缆中通有冷却水；当线圈(4)内通入高频电流时，石墨电极(11)感应发热，使金属试样(10)熔化；当线圈(4)内通入工/中频电流、脉冲电流时，可实现金属试样(10)凝固过程中的电磁扰动，用于研究电磁作用对凝固过程的影响；所述第一气阀(2)和第二气阀(8)可循环快速地通入低温惰性气体，用于对凝固中的金属试样(10)进行淬火，从而研究所述金属试样(10)的生长形态，元素分布等问题。
进一步的，所述金属试样(10)大小为10cm×1cm×1cm；所述Al2O3坩埚(9)的大小为12cm×1.2cm×2cm，壁厚为1.5mm；所述石墨电极(11)的内直径为10cm，外直径为φ13cm，高为14cm；所述保温箱体(5)外直径为23cm，高为24cm；所述线圈(4)内直径为23cm，外径为26cm，高为15cm；所述炉体内直径为40cm，壁厚为2cm，高为45cm。
所述水冷夹头(7)由夹具与冷却水管道组成，夹具夹持于坩埚上，冷却水管道穿过炉门并固定于炉门上与循环水冷机相连接。在加热过程中，冷却水将夹具冷却，可保证夹具的强度，从而很好的固定坩埚；在金属试样(10)凝固过程中，通过水冷夹头的冷却，可实现所述金属试样在凝固过程中的轴向散热。同时，外接的循环水冷机能够精确控制通入水冷夹头(7)中水流量的大小，控制轴向散热的速度。
所述第一气阀(2)和第二气阀(8)外接低温气体装置，能够向所述变频感应加热及冷却装置充入低温惰性气体，气体温度范围为0-10℃，气体流量大小范围为0.1-0.2m3/s。
所述变频感应加热及冷却装置还包括数据信号采集控制***，用于将所述热电偶(1)、可切换式变频电源、循环水冷机和第一气阀(2)、第二气阀(8)得到的温度、输出的电流大小和频率、冷却水量和气体流量转化为数据信息并全程进行采集储存，所述数据信号控制采集***的采集频率为100Hz。
所述变频感应加热及冷却装置的最高加热温度为2000℃；升降温速率范围为0.01-100K/s；升降温控温误差小于±2k；冷态极限真空度为6.67×10-3Pa。
所述线圈(4)中通入的电流频率为2-50KHz。
所述水冷夹头(7)的冷却水流量为0.2L/min—10L/min。
实施例1
本实施例以双相不锈钢为实验材料，即金属试样为双相不锈钢样品，来说明不经磁场扰动处理的样品制作过程。
(1)用无水乙醇洗清Al2O3坩埚和金属试样并吹干；
(2)打开炉门，按图示安装试样、坩埚和水冷夹头，保证三者之间的同轴关系；
(3)将炉体中抽取真空；
(4)将可切换式变频电源切换至高频电流模式，实验开始，待腔室温度达到1500℃后，保温5min，让金属试样充分熔融；
(5)处理结束后断开电源；
(6)打开气阀，低温惰性气体从下端气阀充入，从上端气阀流出，实现气体循环，充入时间20s，实现对金属试样的淬火；
(7)淬火后的试样经过解剖、磨抛和腐蚀，即可用于观察生长形貌与检测元素分布。
实施例2
本实施例以GCr15轴承钢为实验材料，即金属试样为GCr15轴承钢样品，来说明经中频脉冲磁场扰动处理的样品制作过程。
(1)用无水乙醇洗清Al2O3坩埚和金属试样并吹干；
(2)打开炉门，按图示安装试样、坩埚和水冷夹头，保证三者之间的同轴关系；
(3)将炉体中抽取真空；
(4)将可切换式变频电源切换至高频交变电流模式，打开电源实验开始，待腔室温度达到1600℃后，保温5min，让金属试样充分熔融；
(5)将可切换式变频电源的电源输出切换至中频脉冲磁场模式，对熔融金属试样进行扰动处理，处理时间15s；
(6)处理结束后断开电源；
(7)然后打开气阀，低温惰性气体从下端气阀充入，从上端气阀流出，实现气体循环，充入时间20s，实现对金属试样的淬火；
(8)淬火后的试样经过解剖、磨抛和腐蚀，即可用于观察生长形貌与检测元素分布等。
实施例3
本实施例以GCr15轴承钢为实验材料，即金属试样为GCr15轴承钢样品，来说明带脉冲磁场干扰的连铸坯热模拟过程。
(1)用无水乙醇洗清Al2O3坩埚和金属试样并吹干；
(2)打开炉门，按图示安装试样、坩埚和水冷夹头，保证三者之间的同轴关系；
(3)将炉体中抽取真空；
(4)将可切换式变频电源切换至高频交变电流模式，打开电源实验开始，待腔室温度达到1600℃后，保温5min，让金属试样充分熔融；
(5)将可切换式变频电源的电源输出切换至脉冲磁场模式，对熔融金属试样进行扰动处理；
(6)加热及保温部件按照一定的速度向左移动；
(7)凝固10min后，打开气阀，低温惰性气体从下端气阀充入，从上端气阀流出，实现气体循环，充入时间20s，实现对金属试样的淬火；
(8)淬火后的试样经过解剖、磨抛和腐蚀，即可用于观察生长形貌与检测元素分布等。
本发明的加热工作原理为：线圈4通过交变电流产生高频交变磁场，石墨电极11切割交变磁力线，从而在石墨电极11产生交变的电流(即涡流)，涡流使石墨电极11内部的原子高速为规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，即将电能转化为热能，从而使腔室温度上升，达到熔化金属试样10的目的；当温度达到预设温度，且金属试样10充分熔化之后，切断电源，即可停止加热。
本发明磁场扰动金属液的工作原理为：线圈4通过工/中频交变电流产生工/中频交变磁场，根据电磁原理及趋肤效应，工/中频交变磁场与脉冲磁场的磁力线能够穿透石墨电极11，从而达到扰动金属液的目的。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种变频感应加热及冷却装置，其特征在于，该装置包括第一气阀(2)、炉体(3)、线圈(4)、保温箱体(5)、炉门(6)、水冷夹头(7)、第二气阀(8)、坩埚(9)、石墨电极(11)、可切换式变频电源，所述线圈(4)与炉体(3)外侧的可切换式变频电源连接，所述第一气阀(2)和第二气阀(8)分别位于炉体(3)左上侧和右下侧；
所述水冷夹头(7)穿过并固定于炉门(6)上，其左端与Al2O3坩埚(9)连接，所述坩埚(9)内用于放置金属试样(10)；
所述保温箱体(5)放置在炉体(3)的炉腔内，并且保温箱体(5)内部上下表面设置有石墨电极(11)，线圈(4)围套在保温箱体(5)外部，与水冷夹头(7)连接的坩埚(9)穿过保温箱体(5)右侧的孔悬空在保温箱体(5)内部；
所述保温箱体(5)与炉体(3)内的机械控制***连接，该控制***可以控制石墨电极(11)、保温箱体(5)以及线圈(4)整体以一定速度向炉体(3)左侧移动；
所述线圈(4)、保温箱体(5)、石墨电极(11)、坩埚(9)及水冷夹头(7)同轴。
2.根据权利要求1所述的一种变频感应加热及冷却装置，其特征在于，该装置还包括热电偶(1)，并且热电偶(1)预埋在所述保温箱体(5)内，并且所述第一气阀(2)和第二气阀(8)由电磁开关控制开闭，用于抽取炉体(3)的真空以及向炉体(3)充入低温惰性气体。
3.根据权利要求1或2所述的一种变频感应加热及冷却装置，其特征在于，所述线圈(4)通过同轴电缆与可切换式变频电源相连接，且同轴电缆中通有冷却水。
4.根据权利要求1或2所述的一种变频感应加热及冷却装置，其特征在于，所述金属试样(10)大小为10cm×1cm×1cm，所述坩埚(9)的大小为12cm×1.2cm×2cm，壁厚为1.5mm，所述石墨电极(11)的内直径为10cm，外直径为13cm，高为14cm；所述保温箱体(5)外直径为23cm，高为24cm，所述线圈(4)内直径为23cm，外径为26cm，高为15cm，所述炉体内直径为40cm，壁厚为2cm，高为45cm。
5.根据权利要求2所述的一种变频感应加热及冷却装置，其特征在于，所述水冷夹头(7)由夹具和冷却水管道组成，所述冷却水管道一端与夹具连接，另一端与循环水冷机相连，所述夹具用来夹持并固定坩埚(9)。
6.根据权利要求1或2所述的一种变频感应加热及冷却装置，其特征在于，所述第一气阀(2)和第二气阀(8)外接低温气体装置，该低温气体装置能够向所述变频感应加热及冷却装置循环充入低温惰性气体，气体温度范围为0-10℃，气体流量大小范围为0.1-0.2m3/s。
7.根据权利要求5所述的一种变频感应加热及冷却装置，其特征在于，所述变频感应加热及冷却装置还包括数据信号采集控制***，用于将所述热电偶(1)、可切换式变频电源、循环水冷机和第一气阀(2)、第二气阀(8)得到的温度、输出的电流大小和频率、冷却水量和气体流量转化为数据信息并全程进行采集储存。
8.根据权利要求1或2所述的一种变频感应加热及冷却装置，其特征在于，所述变频感应加热及冷却装置的最高加热温度为2000℃；升降温速率范围为0.01-100K/s；升降温控温误差小于±2k；冷态极限真空度为6.67×10-3Pa。
9.根据权利要求1或2所述的一种变频感应加热及冷却装置，其特征在于，所述线圈(4)中通入的电流频率为2-50KHz。
10.根据权利要求1或2所述的一种变频感应加热及冷却装置，其特征在于，通过所述水冷夹头(7)的冷却水流量为0.2L/min—10L/min。
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