專利名稱：具有多功能操作系統(tǒng)的冷坩堝真空熔煉設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及制備活潑金屬及其合金的熔煉、鑄造和定向凝固技術(shù)，特別適合于稀土超磁致伸縮合金及Ti和Ti合金及高純度半導(dǎo)體材料的制備。
背景技術(shù)：
稀土元素非?；顫姾桶嘿F，稀土超磁致伸縮合金對(duì)純度要求極高。為了避免氣氛和坩堝材料對(duì)爐料的沾污，近些年來已發(fā)展冷坩堝真空感應(yīng)熔煉技術(shù)。美國(guó)專利USP3775091，4058668，5819837，6101212，4838933，5074523等及中國(guó)專利CN1071502，1267815和2195744Y等多篇文獻(xiàn)介紹了這種技術(shù)的新的方案。但因其注塞桿只有單一功能，一次熔煉需要多爐或多次工序才能完成，為使料液充分均勻，需先鑄錠，待錠冷卻后開爐取錠，將錠翻轉(zhuǎn)再裝入坩堝，然后又合爐重新抽真空、充氬、熔化料錠、鑄錠。由于重復(fù)操作多次，增加了爐料損耗和爐料被沾污的機(jī)會(huì)，合格率降低，也多耗了大量人工、水、電及材料。另外，現(xiàn)有技術(shù)難以在同一爐次中實(shí)現(xiàn)壓力鑄造或離心鑄造，及在鑄造過程中完成定向凝固處理，這些均導(dǎo)致了產(chǎn)品價(jià)格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種在加熱過程松動(dòng)爐料、在熔煉過程攪拌料液、熔煉后將在坩堝中凝固的錠舉高、翻轉(zhuǎn)后送回坩堝重熔，重熔數(shù)次后通過坩堝底部的注口將料液注入模具凝固，實(shí)現(xiàn)多鑄件鑄造、壓力鑄造、離心鑄造、定向凝固鑄造，及半連續(xù)性熔煉和鑄造等多種熔煉、鑄造的多功能操作系統(tǒng)的冷坩堝感應(yīng)熔煉設(shè)備，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗生產(chǎn)。
本實(shí)用新型采用水冷銅材坩堝，堝身沿軸向分成瓣?duì)?，坩堝主體內(nèi)表面為圓柱面或低錐度圓錐面，堝的底部中心開設(shè)注口，其特征在于一個(gè)可沿軸向升降、可繞軸旋轉(zhuǎn)并與坩堝共軸的柱塞桿機(jī)構(gòu)從爐體底部豎直向上伸入爐內(nèi)，桿頂可進(jìn)入并堵塞坩堝底部的注口；在坩堝上方爐壁伸入一個(gè)可夾持、翻轉(zhuǎn)料錠的翻錠機(jī)構(gòu)；在坩堝下方設(shè)置由模具體和模具架組成的鑄造機(jī)構(gòu)。
柱塞桿機(jī)構(gòu)由塞桿頭、驅(qū)動(dòng)桿、葉片和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，塞桿頭頂端裝有短葉片，下端與驅(qū)動(dòng)桿相連。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為電機(jī)一絲杠結(jié)構(gòu)。
翻錠機(jī)構(gòu)由把持頭和操作桿組成，其中操作桿由同心的外桿和內(nèi)桿構(gòu)成，外桿通過真空密封以水平方向伸入爐體內(nèi)，可心沿其軸線前后移動(dòng)和繞其軸線旋轉(zhuǎn)，內(nèi)桿通過真空密封和螺紋旋入外桿的內(nèi)孔。
模具體上口與坩堝注口對(duì)接，塞桿頭穿過模具體內(nèi)腔伸進(jìn)坩堝注口。
模具體外上部裝設(shè)加熱器，下部裝設(shè)冷卻器。
模具體可設(shè)計(jì)成單?；蚨嗄＝Y(jié)構(gòu)。
模具體可通過連接裝置隨塞桿頭或驅(qū)動(dòng)桿上下移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)。
爐體頂部設(shè)置有密封的加料器。
本實(shí)用新型為冷坩堝熔煉設(shè)備設(shè)計(jì)了一套多功能的攪拌-翻錠-鑄造操作系統(tǒng)，此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和操作相當(dāng)簡(jiǎn)單——核心元件只是堵塞坩堝注口的塞桿頭，基本操作是使塞桿頭上下移動(dòng)和繞自軸的旋轉(zhuǎn)，此外只有塞桿頭的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、翻錠機(jī)構(gòu)和模具等簡(jiǎn)單元件。這種操作系統(tǒng)具有松動(dòng)爐料，攪拌熔體，翻轉(zhuǎn)料錠，鑄造等多種功能，利用它可以實(shí)現(xiàn)多鑄件鑄造、壓力鑄造、離心鑄造、定向凝固鑄造，以半連續(xù)性熔煉和鑄造等多種熔煉-鑄造技術(shù)。
利用此操作系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)過程方面，使為獲得成分均勻的成品所需要的多爐操作集中在一個(gè)爐次完成，從而簡(jiǎn)化了制備工藝，提高了制備效率。以磁致伸縮合金為例，以往每次熔煉過程需要約5小時(shí)，其中熔料時(shí)間僅占幾分鐘，大部分時(shí)間用于準(zhǔn)備爐料和設(shè)備，抽真空，等待錠冷卻，以及出爐和清理。為了均勻化，中間合金和成品合金各需熔煉3次。這樣，一般需要約30小時(shí)才能得到一爐成品。裝設(shè)本操作系統(tǒng)后，從一個(gè)熔煉爐次便能得到成品，時(shí)間縮減到4-8小時(shí)。此外，多爐熔煉所需要的人工操作及材料消耗(如氬氣、水和電能等)也由多次減少到一次。
在產(chǎn)品方面，首先降低了產(chǎn)品的雜質(zhì)含量。重熔料不在空氣中破碎，料液只接觸金屬冷坩堝和金屬模具，集中在料液表層的雜質(zhì)被留在坩堝內(nèi)不進(jìn)入成品。第二，提高了成品的質(zhì)量。壓力鑄造、離心鑄造和模具加熱等技術(shù)減輕了鑄件出現(xiàn)疏松、孔隙、縮孔和裂紋的傾向。第三，損耗減少，成材率提高。每次重熔不破碎料錠，料液從坩堝底部直接進(jìn)入模具，沒有濺出損失，幾乎不產(chǎn)生冒口和湯道等廢料。產(chǎn)品質(zhì)量的改善和制備工序的減少也提高了成材率。
在生產(chǎn)線建設(shè)方面，熔煉設(shè)備不需要專門的搗料機(jī)構(gòu)、坩堝傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和復(fù)雜的鑄造裝置，能在鑄造過程實(shí)現(xiàn)定向凝固，從而使?fàn)t體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，尺寸減小，并節(jié)省了專門的定向凝固設(shè)備。


圖1帶有攪拌-翻錠-鑄造系統(tǒng)的冷坩堝真空感應(yīng)熔煉爐的示意圖1-坩堝，2-感應(yīng)圈，3-爐料，4-真空系統(tǒng)，5-爐體，6-注塞桿機(jī)構(gòu)(6-1-塞桿頭，6-2-驅(qū)動(dòng)桿，6-3-葉片，6-4-驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))，7-翻錠機(jī)構(gòu)(7-1-把持頭，7-2-操作桿)，8-鑄造機(jī)構(gòu)(8-1-模具體，8-2-模具架)，10-加料器，11-進(jìn)水口，12-出水口。
圖2攪拌-翻錠-鑄造系統(tǒng)工作過程形態(tài)示意圖A.裝料后，B.加熱過程松動(dòng)架料，C.溶化過程攪拌，D.凝固后舉升錠料，E.翻錠機(jī)構(gòu)把持錠，F(xiàn).翻錠，G.錠送回坩堝，H.重熔，I.鑄造中，J.鑄造后。
1-坩堝，3-爐料，3′-料液，5-爐體，6-1-塞桿頭，6-2-驅(qū)動(dòng)桿，6-3-葉片，7-1-把持頭，7-2-操作桿，8-1-模具體，9-料錠，9′-成品棒，13-合金固化后。
圖3注塞桿機(jī)構(gòu)和翻錠機(jī)構(gòu)的示意圖A.注塞桿機(jī)構(gòu)(6)，B.注塞桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(6-4)，C.翻錠機(jī)構(gòu)的示例結(jié)構(gòu)—夾嵌—操作桿機(jī)構(gòu)(7)1-坩堝，3-爐料，5-爐體，6-1-塞桿頭，6-2-驅(qū)動(dòng)桿，6-3-葉片，6-4-驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，6-4-1/-2/-3-電機(jī)，6-4-4/-5/-11/-12/-13-齒輪，6-4-6-絲杠，6-4-7-傳動(dòng)螺母，6-4-8-傳動(dòng)板，6-4-9-滑軌桿，6-4-10-傳動(dòng)板軸孔，6-4-14-固定板，6-4-15/-16-軸承，6-4-17-密封，7-1-1/-2-夾鉗，7-1-3/-4-定位桿，7-1-5-鉸接軸，7-2-1-外桿，7-2-2-內(nèi)桿，7-2-3/-4-密封，7-2-5-螺紋，7-2-6-緊固螺母，11-進(jìn)水口，12-出水口圖4鑄造機(jī)構(gòu)示意圖A.普通鑄造機(jī)構(gòu)，B.鑄造中間料棒的模具，C.鑄造成品棒的模具
1-1-坩堝孔，1-2-坩堝體，1-3-坩堝底，5-爐體，6-1-塞桿頭，6-2-驅(qū)動(dòng)桿，8-1-模具體，8-1-1-模具殼體，8-1-2-模具腔，8-1-3-模具口，8-1-4-模具底孔，8-2-模具架，8-3-絕緣襯墊，8-4-水冷機(jī)構(gòu)，8-5-加熱器，8-6-保溫層。
圖5實(shí)施幾種鑄造技術(shù)時(shí)鑄造機(jī)構(gòu)示意圖A.使用多孔模具，B.使用多管模具，C.使用離心鑄造模具1-坩堝，5-爐體，6-1-塞桿頭，6-2-驅(qū)動(dòng)桿，8-2-模具架，8-5-加熱器，8-3-絕緣襯墊，6-2-1-結(jié)合盤，6-2-2-結(jié)合緣突。
8′-1-1-鑄造孔，8′-1-2-中心孔，8′-1-3-模具柱，8′-1-4-漏斗腔；8″-1-1-模具管，8″-1-2-中心管，8″-1-3-上模具板，8″-1-4-下模具板，8″-1-5-漏斗腔；8-1-1-鑄造孔，8-1-2-中心孔，8-1-3-模具柱，8-1-4-漏斗腔，6-1-5-結(jié)合槽。
圖6實(shí)施定向凝固技術(shù)和半連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)時(shí)鑄造機(jī)構(gòu)的示意圖A.溫度梯度定向凝固(分段加熱器)，B.下拉模具定向凝固(區(qū)熔加熱器)，BB.圖B中BB處局部放大圖，C.圖6B的替代結(jié)構(gòu)中塞桿頭-模具底板-冷卻器部分，D.連續(xù)拉錠定向凝固1-坩堝，3-爐料，3′-料液，5-爐體，6-1-塞桿頭，6-2-驅(qū)動(dòng)桿，6-2-1-驅(qū)動(dòng)桿凸條，8-1-模具管，8-1-5-模具底板，8-1-6-底板溝槽，8-1-7-底板螺紋，8-2-模具架，8-3-絕緣襯墊，8-4-模具水冷器，8-5-模具加熱器，8-7-模具支承彈簧，8-8-籽晶，9′-凝固料，10-連續(xù)加料器。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖作詳細(xì)描述。
本實(shí)用新型主要用于冷坩堝1作為熔煉容器的真空感應(yīng)熔煉設(shè)備(圖1)。這種設(shè)備用感應(yīng)圈2加熱坩堝中的爐料3，有真空系統(tǒng)4對(duì)爐體5抽真空，根據(jù)需要也可以向爐體充入惰性氣體(如高純氬氣)。爐體可以使用金屬殼體，也可以用非金屬殼體(如石英管)。接到感應(yīng)圈的加熱電源E可以是高頻感應(yīng)電源，也可以是中頻感應(yīng)電源。感應(yīng)圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)不僅加熱爐料，還產(chǎn)生電磁力使熔體處于懸浮或半懸浮狀態(tài)，并對(duì)熔體產(chǎn)生電磁攪拌。
坩堝1可以按前述專利介紹的各種結(jié)構(gòu)的冷坩堝進(jìn)行設(shè)計(jì)，其共同點(diǎn)是有高導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性的金屬材料制作，坩堝沿其自身的軸向分成若干瓣，通冷卻劑冷卻，常用的是水冷紫銅坩堝。在本實(shí)用新型中，坩堝1主體部分的內(nèi)表面應(yīng)采用無錐度的圓柱面或低錐度的圓錐面，底部可以是平面，也可以為錐形面或曲面，底部的中心開設(shè)注口1-1。坩堝可以是整體結(jié)構(gòu)，也可以具有由坩堝體1-2和坩堝底1-3兩部分組成的分體式結(jié)構(gòu)。同一坩堝可配備數(shù)個(gè)不同注口孔徑和注口形狀的坩堝底。當(dāng)注口的孔徑等于坩堝體的內(nèi)徑時(shí)不使用坩堝底。
本實(shí)用新型為冷坩堝設(shè)備提供了一種多功能的攪拌-翻錠-鑄造操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主體是與坩堝1共軸的注塞桿機(jī)構(gòu)6，它從爐體5底部豎直向上伸入爐內(nèi)，可沿軸向升降，可繞軸旋轉(zhuǎn)；輔助機(jī)構(gòu)包括翻錠機(jī)構(gòu)7和鑄造機(jī)構(gòu)8。系統(tǒng)的過程為(見圖2)注塞桿機(jī)構(gòu)6在加料前堵塞坩堝注口1-1，在加熱過程它上下移動(dòng)松動(dòng)爐料在熔煉過程它通過旋轉(zhuǎn)攪拌料液；熔煉后，它把在坩堝中凝固的錠9舉高，由翻錠機(jī)構(gòu)7將錠翻轉(zhuǎn)。然后，注塞桿6下降，將錠送回坩堝重熔。重熔數(shù)次成分均勻后，注塞桿向下退縮，將料液拉入坩堝下方的鑄造模具。
鑄造機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多種鑄造技術(shù)利用簡(jiǎn)單模具或復(fù)合模具可以實(shí)現(xiàn)單鑄件鑄造或多鑄件鑄造；在鑄造過程增加爐內(nèi)壓力可實(shí)現(xiàn)壓力鑄造；使用模具腔向外輻射狀排布的模具，并在料液注入過程用注塞桿快速旋轉(zhuǎn)模具，可以實(shí)現(xiàn)離心鑄造；當(dāng)模具中具有溫度梯度時(shí)，可以在鑄造過程實(shí)現(xiàn)定向凝固。
與常規(guī)真空熔煉設(shè)備相似，爐體可配備加料機(jī)構(gòu)10和其它輔助機(jī)構(gòu)(如觀察窗等)，加料機(jī)構(gòu)一般位于爐體的上方或側(cè)上方(見圖1)。若連續(xù)加料，勻速下拉注塞桿，使坩堝中的料液逐漸進(jìn)入長(zhǎng)模具，就能進(jìn)行半連續(xù)性生產(chǎn)。
多功能操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)本實(shí)用新型的操作系統(tǒng)包括注塞桿機(jī)構(gòu)6、翻錠機(jī)構(gòu)7和鑄造機(jī)構(gòu)8三部分(圖1-4)。
(1)注塞桿機(jī)構(gòu)注塞桿機(jī)構(gòu)6由塞桿頭6-1、驅(qū)動(dòng)桿6-2、葉片6-3和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)6-4組成(圖3A)。塞桿頭是可以插入并堵塞坩堝注口1-1的元件，上表面可以有短葉片，下端同驅(qū)動(dòng)桿相連。驅(qū)動(dòng)桿的軸線與坩堝注口1-1的軸線重合，向下通過真空密封伸出爐體5與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)合。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過驅(qū)動(dòng)桿使塞桿頭可以上、下運(yùn)動(dòng)和繞坩堝軸線正向、反向旋轉(zhuǎn)，速度可以在較大范圍調(diào)整。
加料前1塞桿頭6-1和驅(qū)動(dòng)桿6-2可以是緊密結(jié)合的分體元件，也可以是一體化的部件。塞桿頭一般為圓柱形，具有一定的高度，外徑與坩堝注口1-1的內(nèi)徑吻合。它可以用導(dǎo)熱金屬(如紫銅、黃銅、鋼、不銹鋼等)、高熔點(diǎn)金屬或其它金屬材料制作，也可以用氮化硼、剛玉、氧化鋯等優(yōu)質(zhì)耐熱陶瓷制作。葉片6-3可以直接在塞桿頭表面加工形成，也可以是結(jié)合在塞桿頭表面的分體元件。后者可以用鎢、鉬、鉭等高熔點(diǎn)金屬或用氮化硼、剛玉、氧化鋯等優(yōu)質(zhì)耐熱陶瓷材料制作。驅(qū)動(dòng)桿兼作塞桿頭冷卻水的通道，它將爐體外的循環(huán)水接入塞桿頭的內(nèi)腔，一般由雙層管道組成。驅(qū)動(dòng)桿需要有足夠的剛度，可以用紫銅、黃銅、鋼、不銹鋼或其它金屬材料制作。一般，塞桿頭用紫銅制作，驅(qū)動(dòng)桿用不銹鋼制作。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可采用多種結(jié)構(gòu)方式，圖3B示出了采用電機(jī)-絲杠結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。該機(jī)械裝在爐體5底部的下方，使用三個(gè)電機(jī)6-4-1-6-4-3，如步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等。電機(jī)6-4-1通過6-4-4-6-4-5齒輪組帶動(dòng)絲杠6-4-6轉(zhuǎn)動(dòng)，引起傳動(dòng)螺母6-4-7移動(dòng)，使與螺母固定的傳動(dòng)板6-4-8連同驅(qū)動(dòng)桿6-2沿滑軌桿6-4-9移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)桿插在傳動(dòng)板軸孔6-4-10中不能相對(duì)驅(qū)動(dòng)板上下移動(dòng)，但能自由旋轉(zhuǎn)。第二個(gè)電機(jī)6-4-2裝在傳動(dòng)板下面，它通過傘齒輪6-4-11-6-4-12使驅(qū)動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)。第三個(gè)電機(jī)6-4-3通過齒輪組6-4-13-6-4-5轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，它能使驅(qū)動(dòng)桿快速上下移動(dòng)。通過電磁離合器可以使齒輪組6-4-4-6-4-5和齒輪組6-4-13-6-4-5的嚙合轉(zhuǎn)換，從而轉(zhuǎn)換電機(jī)6-4-1和電機(jī)6-4-3對(duì)絲杠的驅(qū)動(dòng)。絲杠上端的固定板6-4-14其另一端被滑軌桿固定，它在與驅(qū)動(dòng)桿對(duì)應(yīng)的位置開孔使驅(qū)動(dòng)桿可以通過。絲桿的兩端通過軸承6-4-15-6-4-16分別裝配在爐體底板和固定板6-4-14上。驅(qū)動(dòng)桿6-2通過真空密封6-4-17插入爐體。
(2)翻錠機(jī)構(gòu)翻錠機(jī)構(gòu)7由把持錠的把持頭7-1和操縱把持頭的操作桿7-2組成(見圖1和圖2)。當(dāng)料錠被注塞桿機(jī)構(gòu)6抬高時(shí)，操作桿可以移動(dòng)把持頭到料錠附近并操縱把持頭把持和翻轉(zhuǎn)料錠。該機(jī)構(gòu)可以有許多結(jié)構(gòu)形式，如機(jī)械式、電磁式、永磁式和復(fù)合式結(jié)構(gòu)等。
夾鉗-操作桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械式翻錠機(jī)構(gòu)7的一個(gè)例子(圖3C)。它的操作桿7-2由同心的外桿7-2-1和內(nèi)桿7-2-2組成，兩桿間裝設(shè)真空密封7-2-3。外桿7-2通過真空密封7-2-4從爐外沿水平方向伸進(jìn)爐內(nèi)，指向坩堝1上方的中心，它可以沿軸線前后移動(dòng)和繞軸線旋轉(zhuǎn)。在操作桿爐外部分的端部，外桿、內(nèi)桿通過螺紋7-2-5結(jié)合，螺母7-2-6用于緊固內(nèi)桿的位置。松開螺母，內(nèi)桿通過旋動(dòng)可以沿外桿的前孔前后移動(dòng)。把持頭7-1主要由相互鉸接成X形的兩片夾鉗7-1-1和7-1-2組成，它們的尾部各有一孔，套在定位桿7-1-3和7-1-4上，定位桿固定在外桿爐內(nèi)部分的前端。內(nèi)桿爐內(nèi)部分的前端與夾鉗的鉸接軸7-1-5接合。內(nèi)桿相對(duì)外桿向前移動(dòng)時(shí)，它推動(dòng)鉸接軸向前使夾鉗收緊；向后移動(dòng)時(shí)則抖動(dòng)鉸接軸使夾鉗張開。
當(dāng)料錠7升至坩堝上方時(shí)，推進(jìn)操作桿7-2使已經(jīng)張開的夾鉗7-1移至錠附近套住料錠，再操作內(nèi)桿使鉗夾緊料錠，然后用螺母7-2-6鎖定夾緊狀態(tài)。這時(shí)略微降低塞桿頭6-1并旋轉(zhuǎn)外桿180°，使料錠上下端翻轉(zhuǎn)。然后，升高塞桿頭使之與料錠接觸，松開內(nèi)桿鎖定狀態(tài)，操作內(nèi)桿略微張開夾鉗，使被翻轉(zhuǎn)的錠座在塞桿頭端面。緩慢落下塞桿頭，使料錠在夾鉗的扶持下送入坩堝重熔。再拉出操作桿，使夾鉗復(fù)位。圖2的E-H分圖表示了該階段的操作。
(3)鑄造機(jī)構(gòu)最簡(jiǎn)單的鑄造機(jī)構(gòu)由模具體8-1和模具架8-2兩部分組成(圖1和圖4A)。模具體一般包括殼體8-1-1、模具腔8-1-2、模具口8-1-3和底孔8-1-4幾部分。模具腔環(huán)繞驅(qū)動(dòng)桿6-2；模具口與坩堝注口1-1間可以插入用優(yōu)質(zhì)耐熱陶瓷材料(如氮化硼、石英、剛玉等)制作的帶鑄造孔的襯墊8-3，以便維持注口區(qū)的溫度，也可以直接對(duì)接；模具底孔與注塞桿機(jī)構(gòu)的軸線重合，內(nèi)徑與塞桿頭6-1吻合。模具架8-2是固定模具8-1的支架，高度最好能調(diào)節(jié)。
模具體8-1可以用金屬材料制作，也可以用高化學(xué)穩(wěn)定性的非金屬耐熱材料制備。模具體的腔體內(nèi)可以用涂層材料(如等離子噴涂的氮化硼)。此外，模具體還可以具有復(fù)合結(jié)構(gòu)，例如帶有非金屬內(nèi)襯的金屬模具，或帶有石英或鋼內(nèi)襯的非金屬模具等。為了便于開模取出鑄件，模具體可以是由幾部分拼接成的組合件。
熔煉過程完成后下拉塞桿頭6-1，使塞桿頭從坩堝注口1-1向模具腔8-1-2內(nèi)移動(dòng)，料液3′便隨之進(jìn)入模具凝固形成鑄件9′。塞桿頭向下移動(dòng)同時(shí)繞軸旋轉(zhuǎn)可以改善鑄件的質(zhì)量。在下拉塞桿頭之前，如果坩堝底部有凝殼，可令塞桿頭上、下移動(dòng)和(或)前后旋轉(zhuǎn)，破壞凝殼。鑄造過程結(jié)束時(shí)最好在坩堝1中殘留少量料液，防止在料液表層集聚的雜質(zhì)進(jìn)入模具。圖2I和2J表示了鑄造過程的操作。
依據(jù)鑄造的目的，模具可以有幾種設(shè)計(jì)方式。當(dāng)鑄造中間料錠時(shí)，模具腔8-1-2一般為圓柱形，直徑可接近或等于坩堝內(nèi)徑。這時(shí)最好用帶有水冷結(jié)構(gòu)8-4金屬模具8-1，以便提高冷卻速度，縮短等待開爐的時(shí)間(圖4B)。鑄造成品鑄件的模具腔應(yīng)根據(jù)對(duì)成品形狀的要求設(shè)計(jì)。為了保證鑄件質(zhì)量，這種模具一般不用水冷裝置，最好在模具8-1外設(shè)置模具加熱器8-5和保溫裝置8-6(圖4C)。在鑄造前應(yīng)將模具預(yù)熱，鑄造后緩慢降溫。為了減輕鑄件上部形成縮孔的傾向，加熱器最好分段，最上面一般加熱到較高溫度，并且最后降溫。
利用本操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種鑄造技術(shù)，可以在鑄造過程完成定向凝固處理，可以實(shí)現(xiàn)半連續(xù)性生產(chǎn)。雖然本實(shí)用新型可以適合鑄造各種形狀的鑄件，但是此處僅以鑄造棒狀材料舉例說明。
(1)鑄造單支棒料鑄造單支棒料可使用簡(jiǎn)單的管狀模具體8-1。根據(jù)鑄造的目的，鑄造機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)可分別采用圖4B和圖4C的形式。制備大直徑棒料一般采用這種模具結(jié)構(gòu)。
(2)多棒鑄造鑄造較細(xì)的棒料時(shí)，若采用前面設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)，則要求爐體有很大的高度。所以，此時(shí)最好使用能同時(shí)鑄造多支棒料的復(fù)合模具。復(fù)合模具可以有多種結(jié)構(gòu)，一個(gè)例子是多孔模具8′-1(圖5A)它是沿豎直方向開有若干鑄造孔8′-1-1和一個(gè)中心孔8′-1-2的柱體8′-1-3，中心孔8′-1-2與坩堝注口1-1共軸，直徑與塞桿頭6-1的外徑吻合。模具柱8′-1-3的上部有漏斗腔8′-1-4，鑄造孔和中心孔由漏斗腔腔底向下延伸，鑄造孔的底部封口。
另一種例子是多管模具8″-1(圖5B)它由若干模具管8″-1-1、一支中心管8″-1-2和兩塊模具板8″-1-3，8″-1-4組成。中心管8″-1-2與坩堝注口1-1共軸，內(nèi)徑與塞桿頭6-1的外徑吻合。上模具板8″-1-3呈漏斗形8″-1-5，表面開模具孔和中心孔，孔的數(shù)量和尺寸應(yīng)與模具管、中心管吻合。下模具板8″-1-4有凹坑和中心孔，坑和孔的位置、形狀和尺寸與上模具板和模具孔和中心孔對(duì)應(yīng)。模具管和中心管垂直地安裝在上、下模具板之間，上、下端插進(jìn)模具板的孔和坑之間。在這種情況下，模具管外可以加一套管8″-1-6，管的間隙還可填充耐高溫的氧化物或陶瓷粉末8″-1-7使鑄件保溫。
復(fù)合模具8′或8″裝在坩堝1下方，塞桿頭6-1從模具下方通過中心孔8′1-2或中心管8″-1-2向上伸入坩堝注口1-1。熔煉完成后，向下抽動(dòng)塞桿頭，使料液坩堝進(jìn)入漏斗8′-1-4或8′1-5，再?gòu)穆┒愤M(jìn)入鑄造孔8′-1-1或模具管8″-1-4或8″-1-5，再?gòu)穆┒愤M(jìn)入鑄造孔8′-1-1或模具管8″-1-1。
(3)壓力鑄造為了使鑄件致密，減輕液相凝固時(shí)產(chǎn)生疏松、孔隙和縮孔的傾向，可在鑄造過程增大爐體內(nèi)的壓力。熔煉一般在真空或負(fù)壓下進(jìn)行，壓力鑄造只需在鑄造時(shí)充入惰性氣體即可。
對(duì)于流動(dòng)性較差的料液，對(duì)于截面較小的或形狀復(fù)雜的模具腔，為了使料液對(duì)模具的填充完全也需要進(jìn)行壓力鑄造。在這種情況下，要求模具有較好的密封性。
(4)離心鑄造為了提高鑄件的質(zhì)量，可利用注塞桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行離心鑄造。這對(duì)于流動(dòng)性差的料液，對(duì)于截面較小的或形狀復(fù)雜的模具，作用特別重要。
為了進(jìn)行離心鑄造，需要在塞桿頭6-1或驅(qū)動(dòng)桿6-2同模具體8-1之間設(shè)置一種結(jié)合機(jī)構(gòu)，它使塞桿頭在降低到模具體中的某一位置后，塞桿頭或驅(qū)動(dòng)桿能同模具體結(jié)合，使模具體能隨同注塞桿機(jī)構(gòu)一起旋轉(zhuǎn)。這時(shí)，模具腔8-1-2也應(yīng)該作相應(yīng)的設(shè)計(jì)—它應(yīng)該在有向外輻射的趨勢(shì)，以便在模具旋轉(zhuǎn)時(shí)使料液受到離心力。
離心鑄造小直徑棒技術(shù)的一個(gè)例子是將圖5A的復(fù)合模具的結(jié)構(gòu)修改成圖5C的結(jié)構(gòu)鑄造孔8-1-1的軸線不與豎直的中心孔8-1-2平行，而是向下、向外呈輻射狀偏斜；中心孔內(nèi)壁相對(duì)兩面各有一上下貫通的溝槽8-1-5。在驅(qū)動(dòng)桿的桿身位置裝設(shè)一個(gè)圓盤6-2-1，圓盤邊緣有兩個(gè)凸臺(tái)6-2-2，凸臺(tái)嵌入中心孔的溝槽。熔煉完成后，將塞桿頭下降到中心孔中，使料液通過漏斗腔8-1-4進(jìn)入鑄造孔。這時(shí)，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿帶動(dòng)模具8-1高速旋轉(zhuǎn)，使注入鑄造孔的料液受到離心力。
(5)定向凝固技術(shù)利用本實(shí)用新型的操作系統(tǒng)，可以在鑄造過程中使料液實(shí)現(xiàn)定向凝固，使鑄件具有定向結(jié)晶的組織。為此，只要使注入模具的料液在溫度悌度場(chǎng)中凝固即可。
實(shí)現(xiàn)定向凝固的第一種辦法是在模具體8-1外的上部裝設(shè)加熱器8-5，產(chǎn)生高于料液熔點(diǎn)的高溫，下部則裝設(shè)一個(gè)冷卻器8-4。當(dāng)拉下塞桿頭6-1至料液全部進(jìn)入模具腔8-1-2時(shí)，逐漸降低加熱器的加熱溫度，使料液在底部冷卻和上部加熱的條件下自下向上逐漸凝固(圖6A)。加熱器最好采用分段式鑄造前，各段溫度可以相同，也可以上一段溫度依次高于下一段；料液注入模具后，各段可同時(shí)停止加熱，可同時(shí)緩慢降溫，也可以自下向上順序降溫。此外，還可以使用區(qū)熔式加熱—加熱器大多數(shù)段的加熱溫度略低于料液的凝固點(diǎn)，僅底部段的溫度高于熔點(diǎn)，使模具中的為料液除底部外的其它部分先凝固。控制各段溫度，使底部段降溫凝固，使高溫熔區(qū)移向上一段后隨后降溫。依次控制，直至高溫區(qū)移到最上面一段并隨后降溫。這樣，熔區(qū)-凝固區(qū)自下向上發(fā)展，晶體也自下向上生長(zhǎng)。采用區(qū)熔方法可以減輕料液同模具的反應(yīng)。
第二種辦法的關(guān)鍵在于在塞桿頭6-1同模具體8-1之間設(shè)置一種結(jié)合裝置，它使塞桿頭下拉至料液進(jìn)入模具腔后，能帶動(dòng)模具下降，最好還能帶動(dòng)模具旋轉(zhuǎn)。另一個(gè)關(guān)鍵是支承模具的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能隨同模具一起下降。
圖6B是一個(gè)示例性的結(jié)構(gòu)。模具體8-1與冷卻器8-4為分體元件，前者可以在后者中滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。模具體8-1固定在一個(gè)特制的底板8-1-5上，底板有中心孔使驅(qū)動(dòng)桿6-2通過，孔的邊緣有幾個(gè)溝槽8-1-6，方向與驅(qū)動(dòng)桿平行。在冷卻器腔體的下部設(shè)置一個(gè)彈簧8-7，用于支承模具底板。驅(qū)動(dòng)桿表面有幾列軸向凸條6-1-1，它們可插入模具底板的溝槽8-1-6。熔煉完成后快速下拉塞桿頭，至模具底部時(shí)改變下拉速度為定向凝固的速度，并旋轉(zhuǎn)塞桿頭。這時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿通過模具底板帶動(dòng)模具體向下移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。
另一種示例性的結(jié)構(gòu)不用彈簧支承模具底板(圖6C)，它通過冷卻器8-4內(nèi)壁和模具底板8-1-5外周的螺紋8-1-7嚙合支承模具底板。當(dāng)塞桿頭6-1快速降低到模具底板，并且驅(qū)動(dòng)桿的凸條6-2-1插入底板的溝槽8-1-6時(shí)，它可以連同模具底板慢速下降和旋轉(zhuǎn)。
這了使定向凝固的成品獲得理想的結(jié)晶學(xué)取向，在料液開始結(jié)晶的位置應(yīng)該有V形的表面，并最好安裝籽晶8-8。
上面的例子只介紹了定向凝固單只棒的設(shè)計(jì)，但這些進(jìn)行定向凝固的原則，同樣適用于復(fù)合模具制備細(xì)棒的情況，以及其它復(fù)雜模具制備非棒狀鑄件的情況。
(6)半連續(xù)性生產(chǎn)技術(shù)為了半連續(xù)性的鑄造棒材，需要增大熔煉爐爐體5的高度，加長(zhǎng)模具體的長(zhǎng)度，并設(shè)置一個(gè)密封的加料器10。向加料器10和坩堝1放入成分均勻和準(zhǔn)確的爐料3，待坩堝中的爐料熔化后，連續(xù)下拉塞桿頭6-1，使料液3′進(jìn)入模具體。隨坩堝中料液液面降低，從加料器向坩堝補(bǔ)加爐料，保持液面的高度。塞桿頭持續(xù)牽引模具內(nèi)的料向下移動(dòng)，就可以得到重量超過坩堝容量的成品棒(圖6D)。
為了使模具內(nèi)的爐料能跟隨塞桿頭移動(dòng)，塞桿頭的端面最好嵌上牽引元件8-10，元件的材料最好與爐料相同。最初進(jìn)入模具的料液與牽引元件的表面融合后凝固，從而把持錠的底端產(chǎn)生牽引作用。為了防止?fàn)t料與模具腔的表面粘結(jié)，模具腔的內(nèi)壁必須光滑，并最好使用涂層材料。塞桿頭邊移動(dòng)，邊旋轉(zhuǎn)也有利于防止粘結(jié)。
為了在連續(xù)鑄棒過程實(shí)現(xiàn)定向凝固，最好在模具體8-1外的上部裝設(shè)加熱器8-5，加熱器下方裝設(shè)冷卻器8-4，形成溫度梯度場(chǎng)。此外，塞桿頭的表面最好有V形坑，并最好使用籽晶8-8。
本實(shí)用新型技術(shù)方案也適用于其它冷坩堝熔煉技術(shù)，如冷坩堝真空電弧熔煉技術(shù)。
權(quán)利要求1.具有多功能操作系統(tǒng)的冷坩堝真空熔煉設(shè)備，采用水冷銅材坩堝(1)，堝身沿其軸向成分瓣?duì)?，坩?1)主體內(nèi)表面為圓柱面或低錐度圓柱面，堝的底部中心開設(shè)注口(1-1)，其特征在于一個(gè)可沿軸向升降、可繞軸旋轉(zhuǎn)并與坩堝(1)共軸的柱塞桿機(jī)構(gòu)(6)從爐體(5)底部豎直向上伸入爐內(nèi)，桿頂可進(jìn)入并堵塞注口(1-1)；在坩堝(1)上方爐壁伸入一個(gè)可夾持、翻轉(zhuǎn)料錠的翻錠機(jī)構(gòu)(7)；在坩堝(1)下方設(shè)置由模具體(8-1)和模具架(8-2)組成的鑄造機(jī)構(gòu)(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷坩堝真空熔煉設(shè)備，其特征在于柱塞桿機(jī)構(gòu)(6)由塞桿頭(6-1)、驅(qū)動(dòng)桿(6-2)、短葉片(6-3)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(6-4)組成，其中塞桿頭(6-1)頂部安裝短葉片(6-3)，下端與驅(qū)動(dòng)桿(6-2)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷坩堝真空熔煉設(shè)備，其特征在于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為電機(jī)—絲杠結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷坩堝真空熔煉設(shè)備，其特征在于電機(jī)(6-4-1)通過(6-4-4)-(6-4-5)齒輪組帶動(dòng)絲杠(6-4-6)轉(zhuǎn)動(dòng)，引起傳動(dòng)螺母(6-4-7)移動(dòng)，使與螺母固定的傳動(dòng)板(6-4-8)連同驅(qū)動(dòng)桿(6-2)沿滑軌桿(6-4-9)移動(dòng)，第二個(gè)電機(jī)(6-4-2)裝在傳動(dòng)板下面，它通過傘齒輪(6-4-11)-(6-4-12)使驅(qū)動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)，第三個(gè)電機(jī)(6-4-3)通過齒輪組(6-4-13)-(6-4-5)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，它能使驅(qū)動(dòng)桿快速上下移動(dòng)，絲杠上端的固定板(6-4-14)的另一端被滑軌桿固定，它在與驅(qū)動(dòng)桿對(duì)應(yīng)的位置開孔使驅(qū)動(dòng)桿可以通過，絲桿的兩端通過軸承(6-4-15)-(6-4-16)分別裝配在爐體底板和固定板(6-4-14)上，驅(qū)動(dòng)桿(6-2)通過真空密封(6-4-17)插入爐體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷坩堝真空熔煉設(shè)備，其特征在于翻錠機(jī)構(gòu)(7)由把持頭(7-1)和操作桿(7-2)組成，其中操作桿(7-2)由外桿(7-2-1)和與外桿同心的內(nèi)桿(7-2-2)構(gòu)成，外桿(7-2-1)通過真空密封以水平方向伸入爐體(5)內(nèi)，可以沿其軸線前后移動(dòng)和繞其軸線旋轉(zhuǎn)，內(nèi)桿(7-2-2)通過真空密封和螺紋旋入外桿(7-2-1)的內(nèi)孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷坩堝真空熔煉設(shè)備，其特征在于模具體(8-1)上口與坩堝的注口(1-1)對(duì)接，塞桿頭(6-1)穿過模具體(8-1)內(nèi)腔伸入坩堝注口(1-1)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的冷坩堝真空熔煉設(shè)備，其特征在于模具體(8-1)可設(shè)計(jì)成單?；蚨嗄＝Y(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的冷坩堝真空熔煉設(shè)備，其特征在于模具體(8-1)外上部裝設(shè)加熱器(8-5)，下部裝設(shè)冷卻器(8-4)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的冷坩堝真空熔煉設(shè)備，其特征在于模具體(8-1)通過連接裝置隨塞桿頭(6-1)或驅(qū)動(dòng)桿(6-2)上下移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷坩堝真空熔煉設(shè)備，其特征在于爐體(5)頂部裝有密封加料器(10)。
專利摘要具有多功能操作系統(tǒng)的冷坩堝真空熔煉設(shè)備,采用水冷鋼材坩堝,堝身沿其軸向成分瓣?duì)?其內(nèi)表面為圓柱面或低錐度圓柱面,堝的底部中心開設(shè)注口,其特征在于一個(gè)可沿軸向升降、可繞軸旋轉(zhuǎn)并與坩堝共軸的柱塞桿機(jī)構(gòu)從爐體底部豎直向上伸入爐內(nèi),桿頂可進(jìn)入并堵塞注口;在坩堝上方爐壁伸入一個(gè)可夾持、翻轉(zhuǎn)料錠的翻錠機(jī)構(gòu);在坩堝下方設(shè)置由模具體和模具架組成的鑄造機(jī)構(gòu)。使合金化、均勻化和定向凝固等工序集中在一個(gè)爐次完成,提高了制備效率,改善產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,特別適合于稀土超磁致伸縮合金及Ti和Ti合金的制備。
文檔編號(hào)C22B9/00GK2514005SQ0127421
公開日2002年10月2日 申請(qǐng)日期2001年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月11日
發(fā)明者李碚 申請(qǐng)人:李碚