5kg真空自耗凝殼爐設備的研制

陳東+++高國強+++喬志斌

摘 要：文章介紹了5kg真空自耗凝殼爐的構成，設計及制造過程中的技術難點。

關鍵詞：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備，它的熔煉原理、生產(chǎn)工藝、操作方式以及設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爐結合基礎上，衍生出的一種新式爐型，解決了電弧爐不能澆注鑄型，感應爐因為組成結構上的因素對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，達到所需量后，翻轉傾斜坩堝，將液態(tài)熔融金屬注入提前放置好的鑄型內，從而獲得所需形狀的鑄型。

自上世紀60年代我國引進第一臺25kg真空凝殼爐以來，我國已自行制造出多種型號同類設備，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5kg真空自耗凝殼爐設計中應注意的技術難點做以介紹。

1 設備的主要技術參數(shù)

公稱容量：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）

鑄型最大尺寸：200mmX200mmX300mm

2 設備的構成

凝殼爐的爐體結構形式?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，以及離心盤直徑等因素綜合考慮，根據(jù)已投入使用設備的爐體結構形式，大致可將凝殼爐爐體形式分為5種類型：臥式、立式、雙室、多室和連續(xù)式爐型等。

本文設計采用臥式爐型，它的爐體為臥式圓筒體，圓筒殼體上部焊接有一個立式圓筒，方便安裝爐蓋、電極桿動密封、觀察窗、攝像系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等。坩堝以及坩堝翻轉機構安裝在筒體中部，筒體下方安裝有離心盤機構。筒體前端安裝有爐門，后端用封頭封死，連接有真空系統(tǒng)。

3 凝殼爐優(yōu)缺點

優(yōu)點：凝殼爐具有技術成熟、結構簡單、設備故障率低、維護簡便、爐型系列化大型化的特點，在鈦鑄造工業(yè)是普遍應用的設備。

缺點：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。因此對電極規(guī)格形狀要求較高。在熔煉時，受熔速和冷卻效果的約束，需要調節(jié)電流大小來保持熔池，會產(chǎn)生猛烈飛濺。

4 主要解決的技術難點

4.1 坩堝以及坩堝傾翻機構

凝殼爐熔煉的最基本部分是坩堝，但是在結構上凝殼爐坩堝與電弧爐坩堝完全不同，凝殼爐的坩堝是長度短、直徑大，同時要執(zhí)行反轉運動。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量、澆注效果、成品率以及設備使用期間帶來的經(jīng)濟效益和生產(chǎn)過程中的安全性。

凝殼爐的坩堝是用來直接融化金屬的容器，所以它是整個設備的核心，與電弧爐一樣的原理，即坩堝帶正電，為正極，自耗電機為負極。

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

坩堝傾翻機構，是由坩堝組件、翻轉軸、動密封組件、翻轉氣缸組件、接點裝置等機構組成。其結構形式為產(chǎn)品所需規(guī)格的紫銅坩堝，放置于冷卻水套內，冷卻水套與兩側翻轉軸相連接，翻轉軸由翻轉氣缸帶動，進行翻轉運動。翻轉軸做相應設計，翻轉軸傳遞扭矩帶動坩堝翻轉，同時又要傳導電流，也要給坩堝冷卻系統(tǒng)提供冷卻水，因此在結構較為復雜。

4.2 爐體

凝殼爐的爐體也叫熔煉室。常見爐體為一側開門的臥式圓筒形結構，采用雙層水冷夾套結構，爐門處也設有冷卻水。

本文設備采用臥式前開門結構形式，具有雙層爐壁，中間通水冷卻，內有坩堝翻轉機構，離心澆注機構，爐體上端設有供電極升降用的密封裝置和觀察窗。爐體側部設有真空管道。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量級內（本設備6X10-1Pa）即可保證鑄型質量。真空系統(tǒng)在配型時一般要比電弧爐選用的抽速大，這是由于真空系統(tǒng)在滿足自耗電極融化工藝過程排氣要求的同時，還要額外考慮到澆鑄時熔融金屬進入澆口杯、澆道、石墨型時，在瞬時會釋放出大量的氣體，這種現(xiàn)象每次熔煉都會出現(xiàn)，因此整個真空室的真空度會產(chǎn)生較大波動，嚴重影響到鑄件的表面質量，嚴重的會造成對真空泵組的損害。因此，在設計真空系統(tǒng)時，需要考慮澆鑄時的放氣峰值，要有足夠的抽速。本設備真空機組采用ZJP-600羅茨泵+2x-70旋片泵，足夠適應設備放氣峰值的影響。

5 結束語

本文從真空自耗凝殼爐的結構組成出發(fā)，簡明介紹了真空凝殼爐的部分關鍵問題。設備滿足化工科研領域生產(chǎn)、實驗要求，安全環(huán)保，澆注成品質量良好，制造成本較低，4個月即可投產(chǎn)，見效快，符合中國國情，適合在試驗室及中小企業(yè)推廣。

參考文獻

[1]達道安.真空設計手冊[M].國防工業(yè)出版社，2004.

[2]成大先.機械設計手冊（第四版）[M].化學工業(yè)出版社，2002.

[3]張繼玉.真空電爐[M].冶金工業(yè)出版社，1994.

[4]馬開道，等.稀有金屬真空熔鑄技術及其設備設計[M].冶金工業(yè)出版社，2011.