CN213687809U - 一种悬浮熔炼设备的吹氩搅拌器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种悬浮熔炼设备的吹氩搅拌器，包括真空炉体、真空机组、高频电源，还包括操作杆、搅拌杆、连接板、搅拌叶片，所述搅拌叶片上设置有一个以上吹氩口，所述的操作杆和搅拌杆内设置充气通道，连接板内部设置连通充气通道的连接空腔或者辐射通道，充气通道与吹氩口连通。在悬浮熔炼过程中，采用本实用新型的搅拌器，***熔池进行机械搅拌。使合金的成分充分均匀。此外，还可以向熔池吹氩气，用气泡实现合金液更加充分的搅拌。本实用新型可以大幅改善合金液的均匀性，对合金液产生提纯作用，并且提高熔炼生产的效率。

Description

一种悬浮熔炼设备的吹氩搅拌器

技术领域

本实用新型涉及一种悬浮熔炼设备的吹氩搅拌器，具体为一种在真空电磁悬浮熔炼条件下提高合金成分均匀性的吹氩搅拌器，属于金属熔炼设备技术领域。

背景技术

真空电磁悬浮熔炼(以下简称“悬浮熔炼”)与真空感应熔炼相似，都是在真空或惰性气体的环境下利用电磁场加热金属以完成熔炼过程，均属于无气体污染的熔炼技术。区别在于，悬浮熔炼技术还利用电磁悬浮力使金属熔池在坩埚中呈悬浮状态，避免了坩埚材料对液态金属的污染，是一种更加先进的熔炼技术。在悬浮熔炼技术中使用分瓣的水冷铜坩埚，分瓣的目的在于使电磁场能够进入铜坩埚以加热物料。

悬浮熔炼技术有一个重大缺点——熔池的底部仍然与坩埚底部有软接触，这导致底部的温度偏低，从而引起合金锭的成分不均匀。此外，在悬浮熔炼时，为了增大悬浮力，需要采用频率比较高的电磁场，这种高频率的电磁场却降低了电磁搅拌力，这是合金的成分不均匀的另外一个原因。

为了使合金在熔炼后得到均匀的成分，不得不对合金锭进行多次重熔，这不仅大幅度增加了熔炼成本，而且极大地降低了生产效率。为实现合金成分均匀，一般要重熔3次，这样低的生产效率极大地阻碍了悬浮熔炼技术向生产企业的推广。

现有的专利ZL201922254838.4提供一种新型铸造节能电炉，包括炉体、加热板和驱动电机，其在炉体内设置转动轴，转动轴的表面设置搅拌轴，通过电机带动转动轴和搅拌轴转动，以对炉体内的熔融金属进行搅拌，增加了合金的均匀性。虽然，搅拌轴的设置可以在一定程度上增加合金液或者金属液的均匀性，但是这种搅拌轴对合金液的搅拌不充分，其搅拌效果较差，并不能够大幅度的提高合金液或者金属的均匀性。

因此，提供一种悬浮熔炼的条件下，搅拌更加均匀的搅拌器具有非常重要的意义。

实用新型内容

针对上述现有技术，本实用新型的目的在于提供一种在悬浮熔炼条件下提高合金成分均匀性，其能够在一个熔炼炉次中实现合金成分的均匀化，不需要多炉次的反复重熔。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一种悬浮熔炼设备的吹氩搅拌器，包括真空炉体、真空机组、高频电源，所述真空炉体顶部设置真空室炉盖且内部设置有分瓣的水冷铜坩埚，所述水冷铜坩埚外部环绕感应圈且内部设置有熔池，所述高频电源输出的震荡电流输送到所述感应圈，还包括操作杆和搅拌叶片，所述操作杆穿过真空室炉盖且伸出到真空室炉盖的上面，所述操作杆和真空室炉盖密封配合，所述真空室炉盖上设置有泄压阀，所述搅拌叶片设置在所述操作杆下端，所述搅拌叶片上设置有一个以上吹氩口。

优选的，还包括搅拌杆，所述搅拌杆安装于所述操作杆底端，所述搅拌叶片安装于所述搅拌杆的外侧面。

优选的，还包括连接板，一支或两支以上的所述搅拌杆通过所述连接板安装在所述操作杆。

优选的，所述搅拌杆上的所述搅拌叶片为两个以上且均布在搅拌杆的外侧面。

优选的，所述操作杆和搅拌杆为管状且内部设置有充气通道，所述操作杆和搅拌杆中的充气通道连通，所述操作杆上设置有控制充气通道开启和关闭的气阀且操作杆顶端与惰性气体气源连接。

优选的，所述连接板内部设置有连接空腔或者辐射通道，所述操作杆和搅拌杆中的充气通道通过所述连接空腔或者辐射通道连通。

优选的，所述操作杆和/或搅拌杆侧面开设有连通充气通道的侧面开口；和/或所述操作杆和/或搅拌杆底端开设有连通充气通道的底端开口。

优选的，部分或全部所述侧面开口通过搅拌叶片中的通道与所述吹氩口连通。

优选的，所述搅拌杆和搅拌叶片均采用耐热耐侵蚀材料。

优选的，所述耐热耐侵蚀材料为难熔金属或者耐热陶瓷。

本实用新型的优点在于：

1.本实用新型的搅拌器设置有操作杆、搅拌杆、连接板、搅拌叶片，搅拌叶片上设置有吹氩口，通过连接板连接多个搅拌杆，在每个搅拌杆上设置多个搅拌叶片，充分的对合金液或者金属液进行搅拌，而且吹氩口的设置，可以使金属液通过吹氩口时，产生扰流，进一步提高搅拌效果，从而提高合金的均匀性和熔炼效率；

2.本实用新型还在操作杆、连接板、搅拌杆内设置连通的通道，通过通道向熔池内的合金液进行吹氩，可以对金属液或者合金液进行更加充分的搅拌，与原来需要多次重熔才能实现均匀化相比，采用本方案可以使生产效率提高，生产成本大幅度降低；

3.本实用新型的搅拌器具有吹氩功能，在吹氩过程中气泡能吸收气体，并且可以将熔池中的夹杂物带到合金液的表面，对合金液产生提纯作用。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型立体结构示意图。

图2为本实用新型***图。

图3为无搅拌杆的搅拌器结构示意图。

图4为单搅拌杆的搅拌器结构示意图一。

图5为单搅拌杆的搅拌器结构示意图二。

图6为多搅拌杆的搅拌器结构示意图一。

图7为多搅拌杆的搅拌器结构示意图二。

图8为无的搅拌器搅拌过程示意图。

图9为具有吹氩功能的搅拌器搅拌过程的示意图。

其中，1-水冷铜坩埚、2-合金熔池、3-搅拌杆、4-搅拌叶片、5-操作杆、6-真空室炉盖、7-连接板、8-充气通道、9-气阀、10-泄压阀、11-气泡。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本实用新型公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本实用新型公开，并且能够将本实用新型公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实用新型应用于真空感应悬浮熔炼设备中。如图1-6所示，根据本实用性新型的实施方式，提出一种悬浮熔炼设备的吹氩搅拌器，包括真空炉体、真空机组、高频电源。炉体内装有分瓣的水冷铜坩埚1，水冷铜坩埚1内部为熔池2。感应圈环绕坩埚安装，高频电源输出的震荡电流输送到感应圈，利用产生的电磁场加热坩埚中的金属。

水冷铜坩埚1的上方设置有搅拌器，所述搅拌器包括操作杆5和搅拌叶片4，所述搅拌叶片4设置在操作杆5的下端。在搅拌过程中，操作杆5位于合金熔池2上面，搅拌叶片4位于炉体内。为了防止搅拌器对合金熔池2的污染，通过控制杆5带动搅拌器整体进行升降和转动运动，使搅拌器间断性的全部或部分浸入合金液或者金属液中进行搅拌。优选的，操作杆5的材质为不锈钢。真空室炉盖6中心设置有通孔，所述操作杆5穿过所述通孔伸出到真空室炉盖6的上面，且所述操作杆5和通孔密封配合。

实施例1：

如图3所示，在本实施例中并未设置搅拌杆，而是将所述搅拌叶片4直接安装于操作杆5的下端，通过所述操作杆5直接操纵搅拌叶片4完成升降和旋转的动作，对合金熔池2内的合金液或者金属液进行搅拌，使合金液或者金属液更加的均匀。为了进一步增加搅拌效果，所述搅拌叶片4上设置有吹氩口41，在搅拌时，金属液通过吹氩口41可以形成局部扰流，增强搅拌效果，提高合金的均匀性。

如图4所示，搅拌器还设置有搅拌杆3，所述搅拌杆3安装于所述操作杆5的底端，所述搅拌叶片4安装于搅拌杆3的侧面，所述搅拌叶片4的数量为一个以上，优选为六个，均布于搅拌杆3外侧面。搅拌杆3的设置一方面增加了搅拌效果，另一方面，便于搅拌器的安装和更换。操作杆5与搅拌杆3的区别在于搅拌杆3需要***熔池中，将操作杆5设置在搅拌杆3的上端，用于升降、转动搅拌杆3，操作杆5始终位于熔池上端，避免操作杆对熔池的污染。优选的，操作杆5采用不锈钢制作。

如图6所示，搅拌器还设置有连接板7，所述操作杆5和搅拌杆3通过所述连接板7连接，搅拌杆3的数量为一个以上。进一步的，每个所述的搅拌杆3上均设置有一个以上的搅拌叶片4，优选的，每个所述搅拌杆3上的搅拌叶片4数量为六个，如图7所示。为了进一步提高搅拌效果，多个搅拌杆3圆周分布在连接板7的底面。

实施例2：

所述操作杆5为管道结构，内部设置有充气通道8，操作杆5设置底端开口和/或在侧壁设置侧面开口。在所述操作杆5的上部设置有控制充气通道8开启和闭合的气阀9。所述操作杆5的顶端与惰性气体气源连接。间断性的控制操作杆5下降使搅拌杆3及搅拌叶片4部分或者全部浸入合金熔池2时，打开气阀9将惰性气体送入操作杆5中的充气通道8，使惰性气体从操作杆5的底端开口和/或操作杆5的侧面开口吹入熔池2，形成惰性气体气泡对合金液或者金属液产生搅拌作用，进一步提高搅拌效果。进一步的，所述操作杆5的部分侧面开口与搅拌叶片4上的吹氩口41连通，一部分惰性气体通过侧面开口经过搅拌叶片4内部的连接通道后，从吹氩口41吹出，增强了吹氩口41周围的扰流，使通过吹氩口41的合金液和金属液更加的均匀。

进一步的，所述搅拌杆3为一管道，内部设置有充气通道8，所述搅拌杆3和操作杆3之间的充气通道8连通且密封连接。所述搅拌杆3设置底端开口和/或侧面开口。此时，搅拌杆3的部分或全部侧面开口与搅拌叶片4上的吹氩口41连通。

进一步的，所述操作杆5和搅拌杆3内部均设置充气通道8，所述连接板7内部设置有连接空腔或者辐射通道。所述操作杆5和搅拌杆3中的充气通道8通过所述连接板7中的连接空腔连通和/或辐射通道连通。

进一步的，所述的惰性气体为氩气。对于装设吹氩搅拌器的悬浮熔炼设备，在炉体上还设置有泄压阀10，所述的泄压阀10设置于真空室炉盖6上。在进行吹氩搅拌时，设备炉体内的气体压力逐渐增加，当压力达到设定值时，泄压阀10会自动开启，放气泄压。泄压阀10可采用电磁式的阀门，也可以采用弹簧式的阀门。

所述搅拌杆3和搅拌叶片4都采用耐热材料制作，其熔点必须明显高于熔炼材料的熔点。优选的，所述搅拌杆3和搅拌叶片4使用难熔金属或者难熔金属合金制作，例如金属钨、钼、铌、钛、锆、钛以及它们的合金。对于对污染不敏感的合金和熔点不很高的合金，搅拌杆3和搅拌叶片4也可以采用其它耐高温材料，例如高温合金、耐热钢、不锈钢，以及耐热陶瓷材料。此外，在设置有搅拌杆3时，操作杆5不浸入合金液，它可以用碳钢或不锈钢等材料制作。

搅拌器可以是手动运行的，也可以是自动运行的。对于自动运行的搅拌器，需要设置驱动操作杆5升降的电机和驱动操作杆5旋转的电机，其运行过程优选采用PLC模块控制，每个动作用单独的指令实现，也可以利用设置程序控制***实现。在程序控制***中，预先设置搅拌器开始下降的时间，在坩埚上方停留的位置和烘烤的时间，降入熔池的时间，搅拌旋转的周数和速度，搅拌器提升的时间等等。搅拌过程可以是单向旋转，也可以是正转若干周，再反转若干周，往复旋转。

在搅拌器的搅拌叶片4上和搅拌杆1的下端，一般会粘附一些凝固的合金材料。为了防止在熔炼不同合金时发生交叉污染，可以对于同一种合金使用同一个专用搅拌器。

如图8-9所示，利用这种搅拌装置对熔池2进行搅拌的过程如下：当水冷铜坩埚1中的合金物料熔化后，先将搅拌器降低，悬在熔池上方烘烤至较高温度，防止***搅拌器之后突然降低熔池2的温度。然后，将搅拌器降入熔池，进行短时间旋转搅拌，搅拌时间约5～60秒种，搅拌过程的旋转次数约2～10周。搅拌时间长短和旋转的转数要依据搅拌器材料与被熔炼的合金的熔点相差的程度，以及它们相互熔合的倾向来决定。要防止搅拌时间过长，旋转次数太多，导致合金液熔蚀搅拌器。搅拌后应立即将搅拌器拉升到坩埚上方。在一个熔炼炉次中，可以多次使用搅拌器进行搅拌，使熔池中的合金成分充分均匀化。

在具体的不吹氩搅拌实施例中：熔炼1kg的Ti-40％Al合金。设备采用内径60mm的水冷铜坩埚，水冷铜坩埚高度100mm。该水冷铜坩埚在上方装配的搅拌器采用不锈钢操作杆，钨搅拌杆和钨搅拌叶片，搅拌叶片装在搅拌杆的下端，操作杆通过真空密封伸出真空室炉盖。水冷铜坩埚装在真空熔炼室中，设备配备50kW高频电源。

设备先抽真空，真空度达到6.7抽10^-3Pa之后，充入0.06MPa的高纯氩，然后启动高频电源加热水冷铜坩埚中的物料。待物料熔化后，将搅拌器降低到熔池表面以上约2cm的高度进行烘烤20秒钟，然后将搅拌器***熔池，使搅拌叶片接近水冷铜坩埚底部。急速旋转搅拌叶片5周后，迅速提升搅拌器，使搅拌叶片回到离熔池表面2cm的高度。停留30秒钟后，在将搅拌器***熔池进行搅拌，然后提升。按照与第一次搅拌相同的操作共搅拌3次，最后将搅拌器升回原来的高度。继续加热熔炼1分钟后，关闭高频电源，令合金液在坩埚中凝固。

在本实施中，合金液在水冷铜坩埚中凝固，这样操作的目的是便于分析合金锭不同部位的成分偏差。表1显示了从合金锭不同部位取样进行分析的数据。结果表明，合金锭的顶端和底部的成分偏差≤0.18wt.％。

表1 Ti-40％Al合金锭成分分析结果

在具体的充氩搅拌的实施例中：熔炼5kg的Ti-50％Al合金。设备采用内径120mm的水冷铜坩埚，水冷铜坩埚高度250mm。该水冷铜坩埚在上方装配的搅拌器采用不锈钢的操作杆和连接器，3支钨搅拌杆和3支钨叶片。操作杆和搅拌杆用管料制作，圆板状的连接器中从中心向边缘有3支辐射状分布的管道，操作杆，搅拌杆和连接器中的管道相互连通，接口处有密封处理。操作杆管道的上端开口装有气阀，气阀接高纯氩气瓶。搅拌杆的下端有敞开的开口。水冷铜坩埚装在真空熔炼室中，炉盖上装有弹簧泄压阀，设备配备了200kW高频电源。

设备先抽真空，真空度达到6.7抽10^-3Pa之后，充入0.06MPa的高纯氩，然后启动高频电源加热坩埚中的物料。待物料熔化后，将搅拌器降低到熔池表面以上约3cm的高度进行烘烤，烘烤20秒钟后，开启充氩阀门，将0.15MPa的高纯氩通入搅拌器，令搅拌杆的下端吹出氩气流。然后将搅拌器***熔池，使搅拌叶片接近坩埚底部开始旋转搅拌，同时继续吹氩(图6)。急速旋转8周后，迅速提升搅拌器，使搅拌叶片回到离熔池表面3cm的高度。停留40秒钟后，再将搅拌器***熔池进行搅拌，然后再提升。按照与第一次搅拌相同的操作共搅拌4次，最后将搅拌器升回原来的高度。继续加热熔炼2分钟后，关闭高频电源，令合金液在坩埚中凝固。

对合金锭不同部位进行了成分分析，表2显示了从合金锭不同部位取样进行分析的数据。分析结果表明，合金锭的顶端和底部的成分偏差≤0.28wt.％。

表2 Ti-50％Al合金锭成分分析结果

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种悬浮熔炼设备的吹氩搅拌器，包括真空炉体、真空机组、高频电源，所述真空炉体顶部设置真空室炉盖(6)且内部设置有分瓣的水冷铜坩埚(1)，所述水冷铜坩埚(1)外部环绕感应圈且内部设置有熔池(2)，所述高频电源输出的震荡电流输送到所述感应圈，其特征在于：还包括操作杆(5)和搅拌叶片(4)，所述操作杆(5)穿过真空室炉盖(6)且伸出到真空室炉盖(6)的上面，所述操作杆(5)和真空室炉盖(6)密封配合，所述真空室炉盖(6)上设置有泄压阀(10)，所述搅拌叶片(4)设置在所述操作杆(5)下端，所述搅拌叶片(4)上设置有一个以上吹氩口(41)。

2.根据权利要求1所述的吹氩搅拌器，其特征在于：还包括搅拌杆(3)，所述搅拌杆(3)安装于所述操作杆(5)底端，所述搅拌叶片(4)安装于所述搅拌杆(3)的外侧面。

3.根据权利要求2所述的吹氩搅拌器，其特征在于：还包括连接板(7)，一支或两支以上的所述搅拌杆(3)通过所述连接板(7)安装在所述操作杆(5)上。

4.根据权利要求2或3所述的吹氩搅拌器，其特征在于：所述搅拌杆(3)上的所述搅拌叶片(4)为两个以上且均布在搅拌杆(3)的外侧面。

5.根据权利要求2所述的吹氩搅拌器，其特征在于：所述操作杆(5)和搅拌杆(3)为管状且内部设置有充气通道(8)，所述操作杆(5)和搅拌杆(3)中的充气通道(8)连通，所述操作杆(5)上设置有控制充气通道(8)开启和关闭的气阀(9)且操作杆(5)顶端与惰性气体气源连接。

6.根据权利要求3所述的吹氩搅拌器，其特征在于：所述连接板(7)内部设置有连接空腔或者辐射通道，所述操作杆(5)和搅拌杆(3)中的充气通道(8)通过所述连接空腔或者辐射通道连通。

7.根据权利要求3所述的吹氩搅拌器，其特征在于：所述操作杆(5)和/或搅拌杆(3)侧面开设有连通充气通道(8)的侧面开口；和/或所述操作杆(5)和/或搅拌杆(3)底端开设有连通充气通道(8)的底端开口。

8.根据权利要求7所述的吹氩搅拌器，其特征在于：部分或全部所述侧面开口通过搅拌叶片(4)中的通道与所述吹氩口(41)连通。

9.根据权利要求2所述的吹氩搅拌器，其特征在于：所述搅拌杆(3)和搅拌叶片(4)均采用耐热耐侵蚀材料。

10.根据权利要求9所述的吹氩搅拌器，其特征在于：所述耐热耐侵蚀材料为难熔金属或者耐热陶瓷。

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