5kg真空自耗凝壳炉设备的研制

陈东+++高国强+++乔志斌

摘 要：文章介绍了5kg真空自耗凝壳炉的构成，设计及制造过程中的技术难点。

关键词：真空凝壳炉；铸造；真空

前言

真空自耗凝壳炉是目前钛工业生产钛铸件使用率最高的熔铸设备，它的熔炼原理、生产工艺、操作方式以及设备组成与真空自耗电弧炉有很多相似地方。凝壳炉是在自耗电弧炉和真空感应炉结合基础上，衍生出的一种新式炉型，解决了电弧炉不能浇注铸型，感应炉因为组成结构上的因素对熔融金属有污染的弊病。采用自耗爐的熔炼环境，在水冷坩埚中快速溶化，达到所需量后，翻转倾斜坩埚，将液态熔融金属注入提前放置好的铸型内，从而获得所需形状的铸型。

自上世纪60年代我国引进第一台25kg真空凝壳炉以来，我国已自行制造出多种型号同类设备，主要用于钛泵、钛阀等化工行业用的耐腐蚀铸件生产，随着精密铸造技术的发展，用于军工和体育用品的生产也日益增多。本文将对5kg真空自耗凝壳炉设计中应注意的技术难点做以介绍。

1 设备的主要技术参数

公称容量：5kg

最大熔化电流：5kA

熔炼电压：25-45V

工作真空度：6X10-1Pa

浇注周期：2～5s（可调）

铸型最大尺寸：200mmX200mmX300mm

2 设备的构成

凝壳炉的炉体结构形式决定着具体的炉型，炉体大小取决于铸型重量体积和坩埚的外形尺寸，以及离心盘直径等因素综合考虑，根据已投入使用设备的炉体结构形式，大致可将凝壳炉炉体形式分为5种类型：卧式、立式、双室、多室和连续式炉型等。

本文设计采用卧式炉型，它的炉体为卧式圆筒体，圆筒壳体上部焊接有一个立式圆筒，方便安装炉盖、电极杆动密封、观察窗、摄像系统、传动系统等。坩埚以及坩埚翻转机构安装在筒体中部，筒体下方安装有离心盘机构。筒体前端安装有炉门，后端用封头封死，连接有真空系统。

3 凝壳炉优缺点

优点：凝壳炉具有技术成熟、结构简单、设备故障率低、维护简便、炉型系列化大型化的特点，在钛铸造工业是普遍应用的设备。

缺点：凝壳炉生产所使用的自耗电极一般采用电弧炉提供的成品铸锭，加工成凝壳炉生产所需规格的自耗电极。因此对电极规格形状要求较高。在熔炼时，受熔速和冷却效果的约束，需要调节电流大小来保持熔池，会产生猛烈飞溅。

4 主要解决的技术难点

4.1 坩埚以及坩埚倾翻机构

凝壳炉熔炼的最基本部分是坩埚，但是在结构上凝壳炉坩埚与电弧炉坩埚完全不同，凝壳炉的坩埚是长度短、直径大，同时要执行反转运动。坩埚的外形尺寸、组织材料，以及坩埚外壁的水冷系统，都直接影响到被熔融金属的质量、浇注效果、成品率以及设备使用期间带来的经济效益和生产过程中的安全性。

凝壳炉的坩埚是用来直接融化金属的容器，所以它是整个设备的核心，与电弧炉一样的原理，即坩埚带正电，为正极，自耗电机为负极。

凝壳炉在熔炼过程中，会在坩埚内壁与熔池间形成一个凝壳，能够起到隔离液态金属熔池与坩埚内壁直接接触，防止坩埚内壁污染金属材料，同时也能保护坩埚内壁，不被高温破坏，减少热量损失。

坩埚倾翻机构，是由坩埚组件、翻转轴、动密封组件、翻转气缸组件、接点装置等机构组成。其结构形式为产品所需规格的紫铜坩埚，放置于冷却水套内，冷却水套与两侧翻转轴相连接，翻转轴由翻转气缸带动，进行翻转运动。翻转轴做相应设计，翻转轴传递扭矩带动坩埚翻转，同时又要传导电流，也要给坩埚冷却系统提供冷却水，因此在结构较为复杂。

4.2 炉体

凝壳炉的炉体也叫熔炼室。常见炉体为一侧开门的卧式圆筒形结构，采用双层水冷夹套结构，炉门处也设有冷却水。

本文设备采用卧式前开门结构形式，具有双层炉壁，中间通水冷却，内有坩埚翻转机构，离心浇注机构，炉体上端设有供电极升降用的密封装置和观察窗。炉体侧部设有真空管道。属于大型炉的衍生炉。

4.3 真空系统

真空凝壳炉真空室的熔炼真空度一般在10-1Pa～10-2Pa量级内（本设备6X10-1Pa）即可保证铸型质量。真空系统在配型时一般要比电弧炉选用的抽速大，这是由于真空系统在满足自耗电极融化工艺过程排气要求的同时，还要额外考虑到浇铸时熔融金属进入浇口杯、浇道、石墨型时，在瞬时会释放出大量的气体，这种现象每次熔炼都会出现，因此整个真空室的真空度会产生较大波动，严重影响到铸件的表面质量，严重的会造成对真空泵组的损害。因此，在设计真空系统时，需要考虑浇铸时的放气峰值，要有足够的抽速。本设备真空机组采用ZJP-600罗茨泵+2x-70旋片泵，足够适应设备放气峰值的影响。

5 结束语

本文从真空自耗凝壳炉的结构组成出发，简明介绍了真空凝壳炉的部分关键问题。设备满足化工科研领域生产、实验要求，安全环保，浇注成品质量良好，制造成本较低，4个月即可投产，见效快，符合中国国情，适合在试验室及中小企业推广。

参考文献

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[2]成大先.机械设计手册（第四版）[M].化学工业出版社，2002.

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