CN104613749A - 真空自耗电弧炉用坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空自耗电弧炉用坩埚，包括坩埚体，坩埚体底部与底垫相连，底垫底部周向设置有第一环形槽和第二环形槽，底垫通过周向设置的三组内六角螺栓与圆盘相连，圆盘与筋板相连，圆盘与筋板的中心设置有进水口，圆盘还通过张力爪与坩埚体相连。本发明真空自耗电弧炉用坩埚，环形槽使底垫的刚性和强度降低并使底部因温度差产生的热应力断开不连续，从而减低水平方向的热应力，使底垫所受的合力减小或消失，三组螺栓产生的预紧力将竖直向上的热应力克服，从而消除底垫垂直向上的热变形，解决了现有真空自耗电弧炉用坩埚的底垫在热应力作用下下出现收缩变形导致使用寿命很短的问题，能够延长底垫和坩埚体寿命，降低生产成本。

Description

真空自耗电弧炉用坩埚

技术领域

本发明属于熔炼装置技术领域，具体涉及一种真空自耗电弧炉用坩埚。

背景技术

真空自耗电弧炉是生产高温合金、钛及钛合金的主要设备。紫铜坩埚是真空自耗电弧炉必不可少的关键部件。坩埚放置在熔化站内，真空自耗电弧炉所熔炼的金属经过电弧产生的高温而熔化，在通有冷却水的紫铜坩埚内冷凝、结晶而成铸锭。

为装料和出锭方便，坩埚设计为坩埚体和底垫两部分，二者之间通过可拆卸的部件相连接，用硅橡胶圈密封保证二者连接的气密性。坩埚体采用卷焊工艺或整体锻造工艺制成，底垫采用锻造工艺制成。为保证铸锭生产的正常进行，底垫和坩埚筒体之间的密封必须可靠；为防止起弧阶段误操作，导致电弧击穿坩埚底致坩埚进水，造成熔化中断，常规将底垫厚度设计为坩埚壁的3-5倍。

以Φ720mm坩埚底垫为例，其直径为870mm，厚度为80mm，承受重5吨的铸锭，重量约340公斤，市场价格约3.5万元。底垫外形为高径比0.07～0.14的饼状结构，在使用过程中，内径为Φ114mm的导水管内的冷却水在加压泵的作用下，冷却水快速流动，先冷却直径为Φ870mm的坩埚底垫的中心部位，而后冷却水流至坩埚底垫外圆，再沿坩埚体外壁和不锈钢水套内径之间的间隙流至坩埚体的法兰，再流出熔化站。熔化站进水温度和出水温度的温差约为20度左右。底垫边缘部位和中心部位存在温度差，如图1所示，产生了水平方向的热应力F1，底垫上部与炽热的铸锭相接触，底垫上部受热，下部的热量被冷却水带走，上下两面存在温度差，产生竖直向上的热应力F2，因底垫结构以底垫的中心线对称，两个热应力的合力F使底垫直径减小，高度增加。底垫高度增加，使张力爪对坩埚底部台阶作用力增大，作用力的水平分力使筒体直径减小，坩埚体台阶部位产生收缩变形。

由于底垫直径的收缩和高度增加，底垫的导电面不再和底垫的中心线垂直；坩埚底部压环处直径的收缩和台阶的变形，使坩埚底部的密封面不再和坩埚体的中心线垂直。如图2所示，二者的变形使得底垫上端面和坩埚内部台阶配合处间隙逐渐增大，当间隙大于1.5mm时，液态金属逐渐进入间隙中，覆盖底垫整个端面，形成铸锭的端面包边，端面包边不影响坩埚的正常使用，但对铸锭成品率产生影响。而当坩埚体底部内径止口与底垫配合处的间隙单边大于1.5mm后，液态金属会流入缝隙中，随着底垫热变形的继续和累积，每炉形成的包边高度和宽度逐渐增高、增大，逐步将底垫整个圆周包裹后凝固，底垫的失效期来临时，会出现铸锭和坩埚底垫无法脱离，天车起吊铸锭时将底垫和不锈钢圆盘一同吊走的现象。因而在底垫周边出现局部包边时，底垫就需更换。Φ720mm底垫的寿命不超过炉30炉，底垫直径的收缩量约为15mm，高度增加量约20mm，而坩埚底部的止口收缩量约为10mm。坩埚直径越大，底垫使用的寿命越短。

底垫寿命短，每年消耗的底垫备件就越多；坩埚体底部出现收缩变形，影响脱锭，坩埚体修复的次数就越多。坩埚体与底垫的采购费用成为企业生产的一个较大成本。对于年产4000吨铸锭的企业，底垫的采购费和坩埚的维修费用在上百万元。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空自耗电弧炉用坩埚，解决了现有真空自耗电弧炉用坩埚的底垫在热应力作用下出现收缩变形导致使用寿命很短的问题。

本发明所采用的技术方案是：真空自耗电弧炉用坩埚，包括坩埚体，坩埚体底部与底垫相连，底垫底部周向设置有第一环形槽和第二环形槽，底垫通过周向设置的三组内六角螺栓与圆盘相连，圆盘与筋板相连，圆盘与筋板的中心设置有进水口，圆盘还通过张力爪与坩埚体相连。

本发明的特点还在于，

坩埚体与底垫之间设置有密封圈。

密封圈设置在底垫边缘的密封槽中。

圆盘上焊接有若干上垫板和上垫块。

上垫板沿圆盘周向等间距设置6-8个，相邻两个上垫板之间均匀设置2-3个上垫块。

上垫板的长度延伸至进水口的倒角处。

三组内六角螺栓包括多个内六角螺栓b、多个内六角螺栓c和多个内六角螺栓d，其中内六角螺栓b由圆盘底部穿过上垫块与底垫连接，内六角螺栓c和内六角螺栓d由圆盘底部穿过上垫板与底垫连接。

内六角螺栓b与底垫中心线的距离大于内六角螺栓c与底垫中心线的距离，内六角螺栓c与底垫中心线的距离大于内六角螺栓d与底垫中心线的距离；第二环形槽位于内六角螺栓c和内六角螺栓d之间，且第二环形槽与内六角螺栓d的距离小于内六角螺栓d与底垫中心线的距离，第一环形槽与底垫中心线的距离小于内六角螺栓d与底垫中心线的距离。

第一环形槽和第二环形槽的深度为底垫厚度的1/3-1/2。

张力爪的爪头端与套在坩埚体外壁底部的压环相连，张力爪的另一端通过内六角螺栓a与螺母连接，螺母与圆盘连接。

本发明的有益效果是：本发明真空自耗电弧炉用坩埚，底垫底部的环形槽使底垫的刚性和强度降低并使底部因温度差产生的热应力断开不连续，从而减低水平方向的热应力，最终使底垫所受的合力减小或消失，在底垫底部设计三组螺纹孔，通过三组螺栓将底垫与圆盘连接，三组螺栓产生的预紧力将竖直向上的热应力克服，从而消除底垫垂直向上的热变形，解决了现有真空自耗电弧炉用坩埚的底垫在热应力作用下出现收缩变形导致使用寿命很短的问题，能够延长底垫和坩埚体寿命，使易损的底垫变成和坩埚同寿命的部件，降低生产成本。

附图说明

图1是现有真空自耗电弧炉用坩埚的底垫受热应力示意图；

图2是现有真空自耗电弧炉用坩埚的坩埚体底部收缩和底垫工作失效示意图；

图3是本发明真空自耗电弧炉用坩埚的结构示意图；

图4是本发明真空自耗电弧炉用坩埚的底垫结构示意图；

图5是本发明真空自耗电弧炉用坩埚的圆盘结构主视图；

图6是本发明真空自耗电弧炉用坩埚的圆盘结构俯视图。

图中，1.坩埚体，2.张力爪，3.密封圈，4.内六角螺栓a，5.圆盘，6.筋板，7.螺母，8.内六角螺栓b，9.内六角螺栓c，10.内六角螺栓d，11.上垫板，12.进水口，13.第一环形槽，14.第二环形槽，15.底垫，16.上垫块，17.压环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明真空自耗电弧炉用坩埚，如图3所示，包括坩埚体1，坩埚体1底部与底垫15相连，坩埚体1与底垫15之间设置有密封圈3，密封圈3为硅胶圈，密封圈3设置在底垫15边缘的密封槽中，如图4所示，底垫15底部周向设置有第一环形槽13和第二环形槽14，第一环形槽13和第二环形槽14的深度为底垫15厚度的1/3-1/2，底垫15通过周向设置的三组内六角螺栓与不锈钢圆盘5相连，三组内六角螺栓包括多个内六角螺栓b8、多个内六角螺栓c9和多个内六角螺栓d10，内六角螺栓b8与底垫15中心线的距离大于内六角螺栓c9与底垫15中心线的距离，内六角螺栓c9与底垫15中心线的距离大于内六角螺栓d10与底垫15中心线的距离，第二环形槽14位于内六角螺栓c9和内六角螺栓d10之间，且第二环形槽14与内六角螺栓d10的距离小于内六角螺栓d10与底垫15中心线的距离，第一环形槽13与底垫15中心线的距离小于内六角螺栓d10与底垫15中心线的距离，如图5和图6所示，圆盘5上焊接有若干上垫板11和上垫块16，上垫板11与上垫块16位于底垫15与圆盘5之间，上垫板11沿圆盘5周向等间距设置6-8个，相邻两个上垫板11之间均匀设置2-3个上垫块16，其中内六角螺栓b8由圆盘5底部穿过上垫块16与底垫15相连接，内六角螺栓c9和内六角螺栓d10由圆盘5底部穿过上垫板11与底垫15相连接，圆盘5与筋板6焊接，圆盘5与筋板6的中心设置有进水口12，上垫板11的长度延伸至进水口12的倒角处，圆盘5还通过张力爪2与坩埚体1相连，张力爪2的爪头端与套在坩埚体1外壁底部的不锈钢压环17相连，张力爪2的另一端通过内六角螺栓a4与黄铜螺母7连接，螺母7与不锈钢圆盘5连接。

使用时，将装配好的坩埚放置在熔化站内进行抽空、起弧、熔炼，从进水口12通入冷却水，底垫15底部因底部温度差产生的热应力在第一环形槽13和第二环形槽14的作用下被断开变得不连续，从而降低了底垫15水平方向的热应力，第一环形槽13和第二环形槽14的另一个功能是使底垫15的刚性和强度降低而不失底垫15和坩埚体1装配后的气密性。底垫15底部设计三组螺纹孔，通过三组不同中心距的不锈钢螺栓(内六角螺栓b8、内六角螺栓c9和内六角螺栓d10)产生的预紧力将竖直向上的热应力克服，以消除底垫15垂直向上的热变形，最终使底垫15所受的合力减小或消失，亦使张力爪2本身及坩埚体1底部受力更加合理；底垫15变形小了，坩埚底部亦变形小。张力爪2紧固坩埚体1和圆盘5，使圆盘5和筋板6承受铸锭的重量，保证熔化过程所需的气密性。圆盘5上焊接的上垫板11的长度延伸至进水口12的倒角处，使底垫15受到上垫板11的支撑而不凹陷。

本发明的有益效果是：通过第一环形槽13和第二环形槽14消除底垫15水平方向的热应力，通过多个不同中心距的内六角螺栓b8、内六角螺栓c9和内六角螺栓d10消除底垫15垂直方向的热应力，通过延长上垫板11的长度使底垫15受到上垫板11的支撑而不凹陷，大大延长了底垫15的使用寿命，底垫15的寿命可达100炉以上，坩埚体1底部的维修周期延长，提高了生产效率，降低了生产成本。本发明解决了所属技术领域长久渴望解决的真空自耗电弧炉用坩埚的底垫，在热应力作用下下出现收缩变形导致使用寿命很短的问题。

实施例

以Φ720mm坩埚为例，坩埚体1底部与底垫15相连，底垫15外圆的倒角为30×45度，底垫15材质选用锻造的T2紫铜，坩埚体1与紫铜底垫15之间设置有Φ740×8mm的硅胶密封圈3，密封圈3设置在底垫15边缘的密封槽中，底垫15底部周向设置有第一环形槽13和第二环形槽14，第一环形槽13的内径为300mm、宽10mm、深40mm，第二环形槽14的内径为570mm、宽10mm、深40mm，槽底的圆角均为R5mm；底垫15通过周向设置的三组M16×80mm的不锈钢内六角螺栓与圆盘5相连，紧固力矩不超过200NM，圆盘5材质全部选用304不锈钢，三组内六角螺栓包括12个内六角螺栓b8、12个内六角螺栓c9和6个内六角螺栓d10，内六角螺栓b8与底垫15中心线的距离为350mm，内六角螺栓c9与底垫15中心线的距离为305mm，内六角螺栓d10与底垫15中心线的距离为225mm，圆盘5上周向均匀焊接有6个上垫板11，相邻两个上垫板11之间均匀焊有2个上垫块16，上垫块16位于上垫板11靠近底垫15的边缘端。圆盘5上有中心距分别为Φ450mm、Φ610mm、Φ700mm的Φ18通孔，每组分别对应的孔数为6个、12个、12个；底垫15的底部分别有三组中心距为Φ450、Φ610、Φ700的M16的螺纹孔，该孔镶钢丝螺纹套，孔深25mm，孔数分别为6个、12个、12个，其中中心距为Φ700mm的螺纹孔与底垫15外圆的距离为20mm；12个M16×80mm内六角螺栓b8由圆盘5底部中心距为Φ700mm的Φ18通孔，穿过上垫块16与底垫15底部中心距为Φ700mm的M16螺纹孔连接，12个M16×80mm内六角螺栓c9由圆盘5底部中心距为Φ610mm的Φ18通孔，穿过上垫块16与底垫15底部中心距为Φ610mm的M16螺纹孔连接，6个M16×80mm内六角螺栓d10由圆盘5底部中心距为450mm的Φ18通孔，穿过上垫板11与底垫15底部中心距为Φ450mm的M16螺纹孔连接，圆盘5底部与筋板6焊接，圆盘5与筋板6的中心设置有阶梯状进水口12，上垫板11的长度由底垫15底部的台阶处向中心部位延伸至阶梯状进水口12的倒角处，圆盘5还通过12个张力爪2与坩埚体1相连，12个张力爪2的爪头端与套在坩埚体1外壁底部的不锈钢压环17相连，张力爪2的另一端通过12个M16×65mm的内六角螺栓a4与12个铝青铜螺母7连接，12个铝青铜螺母7与不锈钢圆盘5固连，从而使底垫15、圆盘5和坩埚体1连接成为一个整体，同时保证坩埚体1和底垫5装配后坩埚底部的真空气密性。

Claims (10)

1.真空自耗电弧炉用坩埚，其特征在于，包括坩埚体(1)，所述坩埚体(1)底部与底垫(15)相连，所述底垫(15)底部周向设置有第一环形槽(13)和第二环形槽(14)，所述底垫(15)通过周向设置的三组内六角螺栓与圆盘(5)相连，所述圆盘(5)与筋板(6)相连，所述圆盘(5)与筋板(6)的中心设置有进水口(12)，所述圆盘(5)还通过张力爪(2)与坩埚体(1)相连。

2.如权利要求1所述的真空自耗电弧炉用坩埚，其特征在于，所述坩埚体(1)与底垫(15)之间设置有密封圈(3)。

3.如权利要求2所述的真空自耗电弧炉用坩埚，其特征在于，所述密封圈(3)设置在底垫(15)边缘的密封槽中。

4.如权利要求1所述的真空自耗电弧炉用坩埚，其特征在于，所述圆盘(5)上焊接有若干上垫板(11)和上垫块(16)。

5.如权利要求4所述的真空自耗电弧炉用坩埚，其特征在于，所述上垫板(11)沿圆盘(5)周向等间距设置6-8个，相邻两个上垫板(11)之间均匀设置2-3个上垫块(16)。

6.如权利要求4或5所述的真空自耗电弧炉用坩埚，其特征在于，所述上垫板(11)的长度延伸至进水口(12)的倒角处。

7.如权利要求1所述的真空自耗电弧炉用坩埚，其特征在于，所述三组内六角螺栓包括多个内六角螺栓b(8)、多个内六角螺栓c(9)和多个内六角螺栓d(10)，其中内六角螺栓b(8)由圆盘(5)底部穿过上垫块(16)与底垫(15)连接，内六角螺栓c(9)和内六角螺栓d(10)由圆盘(5)底部穿过上垫板(11)与底垫(15)连接。

8.如权利要求1或7所述的真空自耗电弧炉用坩埚，其特征在于，所述内六角螺栓b(8)与底垫(15)中心线的距离大于内六角螺栓c(9)与底垫(15)中心线的距离，内六角螺栓c(9)与底垫(15)中心线的距离大于内六角螺栓d(10)与底垫(15)中心线的距离；第二环形槽(14)位于内六角螺栓c(9)和内六角螺栓d(10)之间，且第二环形槽(14)与内六角螺栓d(10)的距离小于内六角螺栓d(10)与底垫(15)中心线的距离，第一环形槽(13)与底垫(15)中心线的距离小于内六角螺栓d(10)与底垫(15)中心线的距离。

9.如权利要求1所述的真空自耗电弧炉用坩埚，其特征在于，所述第一环形槽(13)和第二环形槽(14)的深度为底垫(15)厚度的1/3-1/2。

10.如权利要求1所述的真空自耗电弧炉用坩埚，其特征在于，所述张力爪(2)的爪头端与套在坩埚体(1)外壁底部的压环(17)相连，张力爪(2)的另一端通过内六角螺栓a(4)与螺母(7)连接，所述螺母(7)与圆盘(5)连接。