5kg真空自耗凝殼爐設(shè)備的研制

陳東+++高國(guó)強(qiáng)+++喬志斌

摘 要：文章介紹了5kg真空自耗凝殼爐的構(gòu)成，設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：真空凝殼爐；鑄造；真空

前言

真空自耗凝殼爐是目前鈦工業(yè)生產(chǎn)鈦鑄件使用率最高的熔鑄設(shè)備，它的熔煉原理、生產(chǎn)工藝、操作方式以及設(shè)備組成與真空自耗電弧爐有很多相似地方。凝殼爐是在自耗電弧爐和真空感應(yīng)爐結(jié)合基礎(chǔ)上，衍生出的一種新式爐型，解決了電弧爐不能澆注鑄型，感應(yīng)爐因?yàn)榻M成結(jié)構(gòu)上的因素對(duì)熔融金屬有污染的弊病。采用自耗爐的熔煉環(huán)境，在水冷坩堝中快速溶化，達(dá)到所需量后，翻轉(zhuǎn)傾斜坩堝，將液態(tài)熔融金屬注入提前放置好的鑄型內(nèi)，從而獲得所需形狀的鑄型。

自上世紀(jì)60年代我國(guó)引進(jìn)第一臺(tái)25kg真空凝殼爐以來(lái)，我國(guó)已自行制造出多種型號(hào)同類(lèi)設(shè)備，主要用于鈦泵、鈦閥等化工行業(yè)用的耐腐蝕鑄件生產(chǎn)，隨著精密鑄造技術(shù)的發(fā)展，用于軍工和體育用品的生產(chǎn)也日益增多。本文將對(duì)5kg真空自耗凝殼爐設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的技術(shù)難點(diǎn)做以介紹。

1 設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

公稱(chēng)容量：5kg

最大熔化電流：5kA

熔煉電壓：25-45V

工作真空度：6X10-1Pa

澆注周期：2～5s（可調(diào)）

鑄型最大尺寸：200mmX200mmX300mm

2 設(shè)備的構(gòu)成

凝殼爐的爐體結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定著具體的爐型，爐體大小取決于鑄型重量體積和坩堝的外形尺寸，以及離心盤(pán)直徑等因素綜合考慮，根據(jù)已投入使用設(shè)備的爐體結(jié)構(gòu)形式，大致可將凝殼爐爐體形式分為5種類(lèi)型：臥式、立式、雙室、多室和連續(xù)式爐型等。

本文設(shè)計(jì)采用臥式爐型，它的爐體為臥式圓筒體，圓筒殼體上部焊接有一個(gè)立式圓筒，方便安裝爐蓋、電極桿動(dòng)密封、觀察窗、攝像系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等。坩堝以及坩堝翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在筒體中部，筒體下方安裝有離心盤(pán)機(jī)構(gòu)。筒體前端安裝有爐門(mén)，后端用封頭封死，連接有真空系統(tǒng)。

3 凝殼爐優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：凝殼爐具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)便、爐型系列化大型化的特點(diǎn)，在鈦鑄造工業(yè)是普遍應(yīng)用的設(shè)備。

缺點(diǎn)：凝殼爐生產(chǎn)所使用的自耗電極一般采用電弧爐提供的成品鑄錠，加工成凝殼爐生產(chǎn)所需規(guī)格的自耗電極。因此對(duì)電極規(guī)格形狀要求較高。在熔煉時(shí)，受熔速和冷卻效果的約束，需要調(diào)節(jié)電流大小來(lái)保持熔池，會(huì)產(chǎn)生猛烈飛濺。

4 主要解決的技術(shù)難點(diǎn)

4.1 坩堝以及坩堝傾翻機(jī)構(gòu)

凝殼爐熔煉的最基本部分是坩堝，但是在結(jié)構(gòu)上凝殼爐坩堝與電弧爐坩堝完全不同，凝殼爐的坩堝是長(zhǎng)度短、直徑大，同時(shí)要執(zhí)行反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。坩堝的外形尺寸、組織材料，以及坩堝外壁的水冷系統(tǒng)，都直接影響到被熔融金屬的質(zhì)量、澆注效果、成品率以及設(shè)備使用期間帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)過(guò)程中的安全性。

凝殼爐的坩堝是用來(lái)直接融化金屬的容器，所以它是整個(gè)設(shè)備的核心，與電弧爐一樣的原理，即坩堝帶正電，為正極，自耗電機(jī)為負(fù)極。

凝殼爐在熔煉過(guò)程中，會(huì)在坩堝內(nèi)壁與熔池間形成一個(gè)凝殼，能夠起到隔離液態(tài)金屬熔池與坩堝內(nèi)壁直接接觸，防止坩堝內(nèi)壁污染金屬材料，同時(shí)也能保護(hù)坩堝內(nèi)壁，不被高溫破壞，減少熱量損失。

坩堝傾翻機(jī)構(gòu)，是由坩堝組件、翻轉(zhuǎn)軸、動(dòng)密封組件、翻轉(zhuǎn)氣缸組件、接點(diǎn)裝置等機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)形式為產(chǎn)品所需規(guī)格的紫銅坩堝，放置于冷卻水套內(nèi)，冷卻水套與兩側(cè)翻轉(zhuǎn)軸相連接，翻轉(zhuǎn)軸由翻轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。翻轉(zhuǎn)軸做相應(yīng)設(shè)計(jì)，翻轉(zhuǎn)軸傳遞扭矩帶動(dòng)坩堝翻轉(zhuǎn)，同時(shí)又要傳導(dǎo)電流，也要給坩堝冷卻系統(tǒng)提供冷卻水，因此在結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

4.2 爐體

凝殼爐的爐體也叫熔煉室。常見(jiàn)爐體為一側(cè)開(kāi)門(mén)的臥式圓筒形結(jié)構(gòu)，采用雙層水冷夾套結(jié)構(gòu)，爐門(mén)處也設(shè)有冷卻水。

本文設(shè)備采用臥式前開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)形式，具有雙層爐壁，中間通水冷卻，內(nèi)有坩堝翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，離心澆注機(jī)構(gòu)，爐體上端設(shè)有供電極升降用的密封裝置和觀察窗。爐體側(cè)部設(shè)有真空管道。屬于大型爐的衍生爐。

4.3 真空系統(tǒng)

真空凝殼爐真空室的熔煉真空度一般在10-1Pa～10-2Pa量級(jí)內(nèi)（本設(shè)備6X10-1Pa）即可保證鑄型質(zhì)量。真空系統(tǒng)在配型時(shí)一般要比電弧爐選用的抽速大，這是由于真空系統(tǒng)在滿(mǎn)足自耗電極融化工藝過(guò)程排氣要求的同時(shí)，還要額外考慮到澆鑄時(shí)熔融金屬進(jìn)入澆口杯、澆道、石墨型時(shí)，在瞬時(shí)會(huì)釋放出大量的氣體，這種現(xiàn)象每次熔煉都會(huì)出現(xiàn)，因此整個(gè)真空室的真空度會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，嚴(yán)重影響到鑄件的表面質(zhì)量，嚴(yán)重的會(huì)造成對(duì)真空泵組的損害。因此，在設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)時(shí)，需要考慮澆鑄時(shí)的放氣峰值，要有足夠的抽速。本設(shè)備真空機(jī)組采用ZJP-600羅茨泵+2x-70旋片泵，足夠適應(yīng)設(shè)備放氣峰值的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從真空自耗凝殼爐的結(jié)構(gòu)組成出發(fā)，簡(jiǎn)明介紹了真空凝殼爐的部分關(guān)鍵問(wèn)題。設(shè)備滿(mǎn)足化工科研領(lǐng)域生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)要求，安全環(huán)保，澆注成品質(zhì)量良好，制造成本較低，4個(gè)月即可投產(chǎn)，見(jiàn)效快，符合中國(guó)國(guó)情，適合在試驗(yàn)室及中小企業(yè)推廣。

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